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- 힉스 입자는 약 10억 번째 양성자 충돌에서만 발생하며 수명이 매우 짧다.
- 2012년 7월 4일, ATLAS와 CMS 협력 대변인,오랫동안 기다려온 결과 발표
- 이 입자는 125기가 전자볼트의 질량. 이전 조사에서 힉스 입자 제안과 완벽하게 일치
- 2013년 Francois Englert와 Peter Higgs는 노벨 물리학상 수상
- 노벨상은 최대 3명의 살아있는 사람에게만 수여

입자 사냥 '힉스 입자가 발견된 과정'

전 세계 물리학자들은 거의 50년 동안 힉스 입자를 찾아 헤매다가 2012년 마침내 발견했다. 그러나 표준 모델의 누락된 부분을 찾는 것이 그렇게 어려운 이유는 무엇일까?
힉스는 어디에 숨어 있을까? 

▲ 힉스 입자를 생성하고 검출하기 위해서는 LHC와 같은 입자 가속기에서 고에너지 충돌이 필요하다. © CERN/ Daniel Dominguez

문제:
힉스 입자의 실험적 검출에 결정적인 성질은 이론에서 나오지 않았다. 이것에 따르면, 이 입자는 스핀도 전하도 갖지 않고 질량을 가질 것이다. 그러나 그것이 얼마나 큰지는 불분명했다. 가능한 범위는 18MeV-800GeV까지다. 입자를 가속하는 데 필요한 에너지는 전자볼트로 표시된다. 이것은 또한 소립자의 질량을 설명한다.

입자를 찾을 때 이것은 질량을 알면 충돌에서 찾고 있는 입자를 생성하기 위해 서로 입자를 쏴야 하는 에너지도 알고 있음을 의미한다. 그러나 힉스 입자의 경우 물리학자들은 어둠 속에서 더듬거리고 있었고 입자 가속기로 특정 한계까지만 충돌 에너지를 생성할 수 있었다. 결국, 이러한 실험은 힉스 입자가 아마도 114GeV보다 더 무거워야 한다는 것을 이미 보여주었다.

건초 더미에서 건초 잎을 어떻게 찾을까?

2008년 제네바 근처 CERN 연구 센터에서 LHC(Large Hadron Collider)가 작동하기 시작했을 때 힉스 입자에 대한 검색은 결정적인 힘을 얻었다. 세계에서 가장 큰 이 입자 가속기는 고에너지 양성자 충돌을 통해 원하는 입자를 마침내 찾을 수 있는 최상의 조건을 제공했기 때문이다. CERN 물리학자 매튜 맥컬로(Matthew McCullough)는 "우주가 표준 모델에 의해 예측된 힉스 메커니즘의 버전을 사용한다면 LHC가 가동되고 실행되면 숨길 수 없다"고 설명했다.

그러나 힉스 입자는 약 10억 번째 양성자 충돌에서만 발생하며 수명이 매우 짧다. 따라서 직접 측정하거나 관찰할 수 없다. 그것은 뒤에 남겨진 부산물에 의해서만 추적될 수 있다. 불행히도, 이들은 광자 쌍, 뮤온 또는 Z 보존과 같은 기본 입자로 구성되며, 이는 수많은 다른 충돌 생성물이 붕괴할 때 방출되기도 한다.

▲ 여기에서 한 쌍의 광자(여기서는 한 쌍의 광자)와 같은 특정 붕괴 생성물의 과잉은 힉스 입자의 존재를 드러냈다. © CERN/CMS collaboration

따라서 수백만 개의 입자 중에서 힉스 입자의 특징을 식별하는 것은 유명한 바늘을 찾는 것보다 건초 더미에서 특정 건초 잎을 찾는 것과 같다. 그러나 이 명백히 불용성인 작업은 알려진 프로세스를 기반으로 하는 붕괴 생성물을 대상으로 비교하여 검출기가 찾아야 하는 대상을 비교하고 질량 및 에너지 범위에서 이 예상 곡선에서 편차가 있는지 확인함으로써 가능하다. 힉스 보존이 관련되어 있다면 이것은 생성되는 붕괴 생성물의 약간 초과로 표현되어야 한다. 

▲ CERN 강당에서 힉스 입자 검출 발표 후 프랑수아 엥글레르(Francois Englert)와 피터 힉스(Peter Higgs). © CERN

곡선에서 혹

 

이것이 바로 LHC에서 두 개의 대형 감지기에서 보여준 것이다.
2012년 7월 4일, ATLAS와 CMS 협력 대변인은 전 세계 대중에게 자신을 소개하고 오랫동안 기다려온 결과를 발표했다. 힉스 보존 발견. 이것은 힉스 붕괴 동안 방출된 광자 쌍 또는 Z 보존에 의해 생성된 붕괴 생성물 곡선의 "혹"에 의해 입증될 수 있다.

두 결과 모두 5개 이상의 표준 편차의 의미에 도달했다. 이는 신호가 단순한 우연이 아니라 진짜일 확률이 약 350만 대 1에 해당한다. 이 값으로 ATLAS 및 CMS의 결과는 공식 입자 발견의 전제 조건을 충족했다. 그들의 데이터에 따르면, 이 입자는 또한 125기가 전자볼트의 질량을 가져야 했다. 이것은 이전 조사에서 힉스 입자를 제안한 질량 범위와 완벽하게 일치했다.

물리학의 이정표

"그게 다인 것 같죠?" CERN 사무총장인 Rolf Heuer는 가득 찬 CERN 강당의 환호성을 지르며 말했다. 수십 년에 걸친 검색 끝에 표준 모델 퍼즐의 누락된 조각인 힉스 입자가 마침내 발견되었다. 그것의 탐지는 50년 이상 전에 가정된 Bout-Englert-Higgs 메커니즘과 우주에 주요 스칼라 장의 존재를 확인시켜주었다. 

힉스 입자의 발견은 전 세계 물리학자들에게 독특한 이정표였다.
McCullough는 2012년 7월 4일에 "나와 아마도 내 세대의 대부분은 완전히 새로운 과학 대륙을 발견한 것 같았다. 탐험하는 데 평생이 걸릴 수 있는 대륙이다"라고 말했다. "그날까지 우리는 마침내 알게 되었다. 존재했다.“

2013년 Francois Englert와 Peter Higgs는 노벨 물리학상을 받았다. 반면에 이미 사망한 이론가들과 그 추적에 연루된 CERN의 수천 명의 실험 물리학자들은 아무것도 얻지 못했다. 규정에 따르면 노벨상은 최대 3명의 살아있는 사람에게만 나누어질 수 있기 때문이다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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