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- 힉스 입자, 1964년 Robert Brout, Francois Englert와 Peter Higgs 등 물리학자들이 가정
- 2012년 7월 4일에 발견, 물리학의 이정표
- 솔루션으로서의 스칼라 필드, 비대칭 효과
- " 힉스 입자가 없다면 전체 이론은 의미가 없다”라고 Peter Higgs는 2004년에 말했다

힉스-보존
표준 모델, 파티클 헌트(입자 사냥)과 새로운 물리학

힉스 입자는 2012년 7월 4일에 발견됐다. 이는 물리학의 이정표다. 그와 함께 마침내 모든 것의 질량을 부여하는 우주의 구성 요소가 발견되었다. 그러나 10년이 지난 후에도 여전히 이 독특한 입자와 그 효과에 대해 풀리지 않은 많은 질문이 있다. 그것들은 우리의 전체 물리적 세계관의 기본에 영향을 미친다. 

▲ 이 입자 트랙은 힉스 입자의 존재를 나타내며, 붕괴 시 특징적인 특징을 가진 한 쌍의 광자를 생성한다. © CERN/ CMS Collaboration, Thomas McCauley

힉스장과 힉스-보존이 연결되어 있지 않다면 우리 세상은 완전히 다르게 보일 것이다. 아마도 존재하지도 않았을 것이다. 이것은 Robert Brout, Francois Englert 및 Peter Higgs를 포함한 여러 물리학자에 의해 1964년에 이미 가정됐다. 그들이 예측한 입자는 2012년 이후 마침내 탐지되었다. 그럼에도 불구하고 입자 물리학의 표준 모델에는 여전히 큰 격차가 있다. 그리고 힉스 입자는 어떤 면에서는 대답한 것보다 더 많은 질문을 제기했다. 무엇일까?

왜 힉스(Higgs)인가? 질량에 대한 수수께끼

질량이 없다면 우주는 완전히 다른 곳이 될 것이다. 원자도 없고 정상적인 물질도 없을 것이다. 그들을 형성하는 입자의 질량만이 물질의 기본 구성요소가 서로 달라붙고 상호 작용하도록 한다. 그러나 소립자는 어디에서 질량을 얻을까? 우리의 물리적 세계관의 기초인 입자 물리학의 표준 모델은 오랫동안 답을 제공하지 못했다.

약한 핵력은 맞지 않는다.

또 다른 문제가 있다. 기본 힘의 운반체 입자인 보존이다. 쿼크 및 전자와 같은 물질 형성 페르미온과 달리 이론에 따르면 실제로 질량이 없어야 한다. 이것은 전자기와 강한 기본력의 운반 입자인 광자와 글루온에 대해서도 마찬가지다. 그들은 질량이 없다. 이 때문에 광자는 빛의 속도로 쉽게 이동할 수 있다.

그러나 약한 핵력은 이 계획에 맞지 않다. 한편으로는 캐리어 입자가 하나만 있는 것이 아니라 W와 Z 입자 두 개 있다. 반면에 이러한 보존에는 질량이 있다. 이것은 무엇보다도 방사성 붕괴에 작용하는 약한 핵력의 짧은 범위를 설명한다. 이러한 교환 입자가 어디에서 질량을 얻고 다른 입자가 아닌 그들만이 수십 년 동안 미스터리로 남아 있는 이유는 무엇일까?

▲ 기본 힘의 운반체 입자: 글루온과 광자는 질량이 없는 반면 W 및 Z 보존은 질량을 가지고 있다. 하지만 그 이유는 무엇일까? © CERN/ Daniel Dominguez

솔루션으로서의 스칼라 필드

이를 밝히는 더 많은 빛이 1960년대 초에 몇몇 이론 물리학자들이 질량 문제에 대한 해결책을 찾았을 때에야 어둠 속으로 들어왔다. 그중에는 벨기에의 Robert Brout와 Francois Englert, 영국의 Peter Higgs가 있다. 그들은 서로 독립적으로 우주 전체에 퍼져 있는 보이지 않는 장이 문제를 해결할 수 있다는 결론에 도달했다. 이 스칼라 장은 일부 기본 입자와 양자 물리적 상호 작용을 겪으면서 속성을 변경할 수 있다. 그것들은 에너지 소비로만 가속될 수 있으며 따라서 질량이 있다.

잘 알려진 비유에서 영국 물리학자 David Miller는 이 Brout-Englert-Higgs 메커니즘을 칵테일 파티에 비유했다. 중요한 인물이 방에 들어오면 다른 손님이 빠르게 그의 주위에 모여든다. 유명인은 많은 사람으로 인해 거의 앞으로 나아갈 수 없다. 많은 에너지로만 가속될 수 있는 높은 질량의 입자와 유사하다.

비대칭 효과

Brout-Englert-Higgs 메커니즘은 모든 캐리어 입자에 질량이 있는 것은 아니라는 사실에 대한 설명도 제공한다. Higgs 장은 모든 보존과 동일한 방식으로 상호 작용하지 않으며 비대칭을 나타낸다. 전기 역학 및 양자 색역학 면에서 중성이기 때문에 이러한 힘의 운반체 입자(광자와 글루온)는 질량이 없다. 다른 한편으로, 장은 다른 모든 입자에 일종의 제동 효과를 가하고 질량을 부여한다.

이것은 털에 있는 머리카락의 방향과 비교할 수 있다.
예를 들어 광자와 같은 입자가 힉스장의 "헤어라인"과 함께 움직이면 저항이 없고 질량이 없는 상태로 유지된다. 반면에 입자가 입자에 대해 움직이면 더 많은 에너지가 필요하다. 즉, 질량을 얻는다. 이것은 모든 물질 형성 페르미온과 약한 핵력의 W 및 Z 보존에 적용된다.

▲ 우주에 퍼져 있는 장이 입자에 질량을 줄 수 있을까? © CERN / Daniel Dominguez

힉스장과 그 입자

이것이 이론이다. 그러나 그것을 어떻게 증명할 수 있을까? 여기서 힉스 입자가 작용한다. 이 스칼라 필드가 존재하면 특정 위치에 응축되는 기능이 있기 때문이다. 광자가 파동인 동시에 입자인 것처럼 힉스 장은 이 지점에서 입자로 나타날 수도 있다. “표준 모델을 측정 데이터와 조화시키는 이 방법보다 더 좋은 방법이 어디 있을까? 힉스 입자가 없다면 전체 이론은 의미가 없다”라고 Peter Higgs는 2004년에 말했다.

그럼에도 불구하고 물리학자는 이 누락된 퍼즐 조각이 표준 모델에서 곧 발견될 것이라고 확신했다. 그리고 힉스 입자에 대한 사냥이 시작되었다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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