힉스입자란?

2013년 03월 14일

CERN(유럽원자핵연구소)에서

힉스입자에 대한 발표가 있었습니다.

http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/03/new-results-indicate-new-particle-higgs-boson

하지만 대부분의 사람들은

"그래서 뭐 어쩌라고?"

이 정도 반응으로 치부하고 넘어갔지요 ㅜ.ㅜ

그런데 힉스입자가 대체 무엇이기에 과학자들이 난리를 피우는 것인지,

물리학을 전공한 입장에서 이런 시대에 살고 있다는 것 자체가 얼마나 가슴 벅찬 일인지

알려드리고 싶어서 이 글을 씁니다.

   

제가 이번에 힉스입자 발견에 대해서 다룬 기사들을 읽어보니 재미있는 내용은 죄다 빠져있더군요.

   

힉스입자 발견 된 듯!

이거 과학계에서 레알 쩌는 사건임

과학자들이 지들끼리 서로 축하하고 놀라워하고 있으니 일반인들도 덩달아 대단하다고 생각해 주기 바람!   

밑도 끝도 없이… 거의 다 이런 내용이더군요

   

이렇게 대충 써둔 기사를 읽으면 힉스입자의 발견은 과학자들만의 축제일 뿐

대부분의 사람들은 관심을 가질래야 가질 수도 없습니다.

뭔지도 모르는 것에 어떻게 흥미가 생기겠어요? ㅋㅋㅋ

그런데 또 기자들한테 물리공부하라고 하는것도 말이 안되니...ㅋㅋㅋ

전공자가 알려야지 뭘 어쩌겠나... 하는 생각도 드네요 ㅋ

   

자~~ 그럼 힉스입자가 무엇인지 소개 해 드리도록 하겠습니다.

   

   

   

1. 기본 입자 - 페르미온과 보존

  

 

이 세상 모든 물질을 쪼개고 쪼개다 보면 더 이상 쪼갤 수 없는 지점에 이를 것이다.

이것이 기본입자이다.

   

원자론은 이런 당연한 아이디어에서 시작했고 이제는 누구나 원자의 존재를 알고 있습니다.

그런데 더 깊이 파고들면 원자보다 더 궁극적인 기본 입자들이 존재합니다.

바로 아래 그림과 같은 입자들이지요

맨 윗줄 오른쪽 끝에 힉스보존이라고 있죠?

질량이 얼마인지도 모르고 예상만 하고 있었던 입자가 바로 힉스입자입니다.

   

원자는 전자, 양성자, 중성자로 이루어져 있습니다.

전자는 그 자체가 기본입자이지만, 양성자와 중성자는 세 개의 쿼크가 모여서 만들어집니다.

양성자는 업쿼크 두 개와 다운쿼크 한 개로 이루어 져 있기 때문에 +1의 전하량을 갖게 되고

중성자는 업쿼크 한 개와 다운쿼크 두 개로 이루여 져 있기 때문에 전하량이 0입니다.

   

   

   

우리가 보고 만질 수 있는 물질들은 원자로 이루어져 있고

원자는 전자와 쿼크로 이루어져 있습니다.

이렇게 전자와 쿼크처럼 "물질을 이루는 입자"를 페르미온이라고 합니다.

페르미온의 공통적인 특징은 스핀양자수가 1/2 즉, 반정수 값을 가진다는 것 입니다.

반정수 값의 스핀양자수가 양자역학적으로 의미하는 것은

같은 입자가 충돌한 전과 후에도 각각의 입자를 구분 가능하도록 하는 것입니다.

   

예를 들어, 당구공의 충돌을 보면

동일한 위치에, 똑같은 당구공 2개가 겹쳐있는 것은 불가능하지요?

그렇기 때문에 어떤 당구공이 굴러와서 어떤 당구공을 쳐 낸 것인지,

그 충돌로 각각의 당구공은 어떤 운동변화가 생겼는지 구분이 가능합니다.

이렇게 당구공과 같은 충돌을 하는 놈들이 페르미온 입니다.

   

   

양자역학에서는 이러한 상태를 아래와 같이 표현합니다.

   

파울리의 배타원리에 따라서 똑같은 양자상태를 2개의 입자가 차지 할 수 없다.

   

즉, 충돌하는 페르미온은 필연적으로 스핀양자수의 부호가 반대가 되어야만 합니다.

왜냐하면 충돌을 하려면 "위치"라는 상태가 거의 같아야 하는데

원자 내에서 "위치"라는 것은 다음 네 가지 양자수가 결정하기 때문에

스핀 양자수 빼고 나머지 놈들이 같아야 충돌이라는 상호작용을 할 수 있기 때문이지요.

   

주양자수 - 원자핵과 전자의 거리, 원자껍질

궤도 양자수 - 각운동량 양자수, 오비탈

자기 양자수 - 전자의 궤도운동으로 인해 생기는 자기 상태를 표현하는 양자수

스핀 양자수 - 위의 세 양자수가 같은 상태에는 전자가 2개까지만 채워짐. 이 둘을 구분하는 양자수.

   

이렇게 전자가 충돌하기 위해서는 마지막 스핀양자수만 달라야 같은 위치, 궤도, 자기상태에서 상호작용을 할 수 있게 되는 것이지요.

   

"완벽하게 똑같은 양자상태"의 페르미온이 존재하지 않기 때문에 페르미온의 충돌은 충돌전과 충돌후에 각 입자의 변화를 구분 가능하게 되는 것입니다.

   

그 반면 보존의 특징은 스핀양자수가 "정수값"을 가지고 있다는 것이지요.

이런 상태를 양자역학적으로 풀어보면 얘네들은 충돌 전과 후가 구분이 안됩니다.

완벽히 똑같은 위치에 두 개 이상의 입자가 존재해도 상관이 없다는 것이지요.

   

예를 들어 아래와 같이 레이저 포인터를 생각 해 봅시다.

   

   

두 개의 레이저는 서로 교차하는 지점에서 아무런 상호작용 없이 그냥 제 갈 길을 갑니다.

이것은 광자들이 교차지점에서 서로 상호작용을 하지 않는 것이 아니고

상호작용을 하기 전과 후의 입자들이 구분이 되지 않기 때문에 일어나는 현상입니다.

   

여러분들은 보존과 페르미온의 차이를 그냥 이렇게 생각하시면 편하실 것입니다.

   

만졌을 때 느낌이 있는 놈들을 이루는 것들은 페르미온,

만져지지 않는 것들을 이루는 놈들이 보존.

   

   

그런데 물리 전공자들은 아래 링크를 가셔서 더 공부를 하셔야 합니다.

양자역학에서 파동방정식의 대칭결합과 비대칭결합에대해 공부하시면 왜 이런 결과가 나오는 것인지 알 수 있으실 것입니다.

http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/modern/atomstructure/electronspin/electronspin4.html

전공하시는 분들은 이곳을 참고하세요~

그리고 페르미온과 보존의 차이점과 왜 이런 이름을 갖게 되었는지 더 깊게 공부하시려면 페르미-디락 통계와 보즈-아인슈타인 통계를 공부하시면 됩니다.

   

   

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2. 페르미온과 보존의 역할

   

페르미온은 물질을 이루는 입자라고 말씀드렸지요?

이놈들의 역할은 이게 끝입니다.

물질을 이루는 기본 입자.

   

어라? 전자는 전자기장을 만들어서 전자기력을 발생시키는데...

페르미온인 전자의 역할은 그냥 물질을 이루는 것 말고는 아무 역할을 하지 않는다니 이상하지요?

   

모든 입자는 그 존재 자체만으로 주변에 "장"을 형성합니다.

반대로 어떤 장이 존재한다면 그 장이 입자를 만들어 낸다고 생각해도 됩니다.

양자역학에서는 입자를 파동함수로 표현하는데 이것은 장의 파동이라고 생각 할 수 있기 때문에 이 둘을 구분하는 것은 거의 의미가 없습니다.

입자만 있고 장이 없거나, 장은 있는데 입자가 없다

이런 상황 자체가 말이 되지 않기 때문이지요.

지금 이 부분은 중요하니까 꼭 기억하세요~!!

입자와 장은 따로 떼서 생각 할 수 없다는 것!!

   

아무튼 전자나 양성자처럼 전하가 있는 입자는 전기장을 형성하고

질량이 있는 입자는 중력장을 형성하지요

   

그 장 안에 들어간 입자의 운동변화

즉, 입자들 간의 상호작용을 매개해주는 것이 바로 보존의 역할입니다.

   

우주에는 딱 4가지 기본힘이 있습니다.

기본 상호작용이라고도 하는데요

이 네 가지 기본 상호작용은 아래와 같습니다.

   

중력, 전자기력, 강한 핵력 (강력), 약한 핵력 (약력)   

   

모든 물리법칙은 이 네 가지 상호작용을 따릅니다.   

강력과 약력같은 핵력은 극단적으로 짧은 거리에서만 일어나는 상호작용으로 우리 생활에서 일상적으로 겪을 수 있는 현상과는 상관이 없습니다.

우리 주변에서 볼 수 있는 상호작용은 중력과 전자기력이 대부분입니다.

   

그럼 이제 보존이 페르미온 사이에서 힘을 매개하는 역할을 어떻게 수행하는지 알려드리겠습니다.

   

a. 철수와 영희가 얼음판 위에 올라가 있습니다.

(철수는 초록색 볼링공을 들고 있습니다.)

   

   

b. 철수가 영희에게 볼링공을 던집니다.

그러면 이 때 볼링공과 철수는 작용반작용으로 서로 반대방향으로 멀어지겠지요?

   

   

   

   

c. 이 볼링공을 영희가 받습니다.

그러면 볼링공이 가지고 있던 운동량 때문에 영희도 뒤로 미끄러지겠죠?

   

   

   

   

   

지금 철수와 영희가 페르미온이고, 초록색 볼링공이 보존입니다.

초록색 볼링공은 "척력"이라는 힘의 형태를 철수와 영희 사이에 매개해주는 힘 전달 입자인 것이지요.

   

표준모델에서는 이러한 매커니즘으로 힘이 전달된다고 설명합니다.

하나의 페르미온과 보존이 상호작용을 하고, 그 상호작용에 대한 정보를 보존이 가지고 이동해서, 다른 페르미온과 다시 상호작용을 해서 겉보기에는 두 개의 페르미온 사이에 어떤 힘이 작용하는 것처럼 보이도록 만들어 주는 것이지요.

   

물리학자들은 이러한 과정을 파인만 다이어그램이라는 것으로 표현합니다.

   

   

왼쪽에서 오른쪽으로 시간이 흘러갑니다.

이 파인만 다이어그램은 전자와 양전자(전자의 반입자)가 만나서 쿼크와 반쿼크 글루온이 생성되는 과정을 표현 한 것입니다. 중간에 파란 물결표시가 바로 보존인 광자를 의미합니다. 즉, 전자와 양전자의 충돌이 원인이 되고 쿼크, 반쿼크 생성이라는 결과 사이에 상호작용을 매개해주는 입자는 바로 광자라는 것을 의미합니다.

   

   

지금까지 내용을 정리하면

   

페르미온은 물질을 구성하는 입자이다.

보존은 상호작용을 전달하는 매개입자이다.

   

이렇게 생각 하시면 됩니다.

   

   

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3. 보존의 종류와 역할

   

보존은 스핀이 정수값을 가지는 입자들입니다.

표준모델에서의 보존은 스핀값이 1인 게이지보존과 스핀값이 0인 스칼라보존으로 나뉩니다.

스핀이 0인 스칼라보존이 바로 힉스입자입니다.

힉스입자 발견이 대단한 이유가 바로 이것 때문인데,

힉스입자는 실험적으로 발견된 최초의 스칼라 입자이기 때문입니다.

   

그리고 이 보존들은 다음과 같이 정해진 역할이 있습니다.

   

a. 광자 - 전자기적 상호작용을 매개함

   

b. 글루온 - 쿼크들 사이에 결합력을 제공하여 양성자와 중성자와 같은 핵자를 만들고,

핵자 사이에 강한 상호작용을 제공하여 원자핵을 형성함.

   

   

c. Z보존과 W보존 - 중성자가 붕괴하여 양성자와 전자, 안티뉴트리노를 방출하거나

양성자가 붕괴하여 중성자와 양전자, 뉴트리노를 방출하는

베타붕괴 과정에서 약력을 전달하는 매개체.

   

   

d. 중력자 - 질량이 있는 입자간의 만유인력을 매개하는 입자.

아직 가설단계로 실험적 확인은 물론 이론적으로도 완벽한 정리가 이루어지지 않았음

   

   

e. 힉스보존 - 입자들이 "질량"이라는 물리량을 갖도록 매개해주는 입자.

좀 엄밀하게 따지면

질량을 부여하는 것은 힉스매커니즘이고, 힉스입자는 힉스메커니즘을 증명하기 위해 필요한 입자입니다.

이 힉스입자는 예상되는 질량이 매우 크기 때문에 인위적으로 만들기 위해서는 엄청난 에너지가 필요해서 엄청나게 큰 입자가속기를 만들었던 것입니다.

   

   

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4. 힉스입자는 신의 입자?

   

   

   

사실 힉스입자는 질량을 부여하는 입자라는 이유 말고도 더 중요한 의미가 있는 입자입니다.

왜냐하면 스핀이 0인 유일한 스칼라입자이기 때문이지요.

   

물리학자들이 엄청나게 중요하게 생각하는 물리적 성질중에는 "대칭성"이라는 것이 있습니다.

자연적으로 발생된 일에는 "편견"이 없기 때문에 어떤 성질이 발생하면 그를 상쇄시키는 완전히 반대 성질의 현상도 함께 생성되는 것이 자연스럽겠죠?

그런데 어떠한 원인으로 인해 이러한 대칭성이 일괄적으로 붕괴되기도 합니다.

   

생각해 보면 태초에 빅뱅이 있었을 때에는 이런 힘과 입자의 구분 없이 그냥 막연한 형태의 에너지만 가득했을 것입니다.

그 에너지들은 말 그대로 자연스러운 상태이기 때문에 어떤 특정한 성질을 갖지 않고 있었겠죠?

스핀이고 나발이고 죄다 그냥 0인 순수한 상태였을 것입니다.

그런데 지금까지 발견된 모든 기본입자들은 스핀이 0이 아닙니다.

어떤 요인으로 인해 일괄적으로 대칭이 붕괴되었기 때문이겠죠?

힉스입자는 스핀이 0인 스칼라 보존에 대한 첫번째 발견이 되기 때문에 더 큰 의미가 있습니다.

   

우주는 엄청나게 넓기 때문에 별 희안한 일이 다 일어납니다.

원래는 스핀이 0인 상태만 존재하는것이 가장 자연스러운데

이런 자연스러운 상태인 대칭성도 깨지는 일이 일어나죠.

이렇게 대칭성이 깨지는 현상을 자발적 대칭 붕괴라고 하는데

이것 때문에 지금과 같은 우주가 존재 할 수 있는 것입니다.

   

대칭성 붕괴에 대해 재미있고 이해가 쉽게 풀어놓은 곳이 있네요

함께 읽어보세요 ^^

http://extrad.egloos.com/1820145

   

모든 입자는 입자와 반입자 쌍이 있습니다.

전자의 반입자는 +전하를 가진 양전자가 있고

모든 쿼크도 반쿼크 쌍이 있기 때문에

입자와 반입자쌍은 상호작용하면서 소멸될 수 있습니다.

   

즉, 전하량이라던가 스핀같은 물리량은 대칭성에 있어서 별 문제가 되지 않습니다.

   

그런데 질량은 어떤가요?

음의 질량 들어보셨나요?

   

적어도 지금까지는 음의질량을 가진 입자가 발견되지 않았고 수학적으로도 예상되지 않고 있습니다.

질량의 존재를 상쇄시킬 수 있는 반대개념이 없다는 것은 대칭성이 깨졌다는 것을 의미합니다.

   

즉, 질량이라는 물리량은 그냥 평범한 힘 매개체인 보존의 교환으로 생기는 것이 아니라 조금 특별한 메커니즘을 따라야 한다는 생각을 하게 된 것이지요.

   

이러한 이유로 표준이론에서는 질량이 있는 물체를 수학적으로 다룰 때 질량에 관한 항을 직접적으로 넣어서 다룰 수 없습니다.

원인이 불명확한 결과를 수학적으로 다룰 수 없기 때문이지요.

그 대신에 힉스장을 도입해서 간접적으로 질량을 부여하도록 하는 수학적 방법을 택했는데 이런 과정에서 힉스입자가 예언 된 것입니다.

   

힉스장의 특별한 매커니즘은 대칭붕괴를 일으킵니다.

양의 질량만 존재하는 결과를 가져오니까 질량이라는 측면에서는 대칭성이 붕괴되는 것이지요.

   

다른 말로 하면, 표준이론에서는 원래 기본입자들은 질량이라는 물리량 자체가 없었다고 생각합니다.

그런데 힉스메커니즘으로 인한 자발적 대칭 붕괴 현상에 의해서 질량이라는 물리량이 생기게 되는 것이고,

이런 현상을 일으키는 범인이 바로 힉스장 이라는 것이지요.

   

따라서, 힉스입자가 태초에 있었는데 모든 입자에 질량을 부여하고는 사라졌다는 표현은 완벽하게 잘못된 표현입니다.

   

질량을 부여하는 것은 힉스입자가 아니고 힉스메커니즘이기 때문입니다.

그리고 힉스메커니즘은 아직도 제 역할을 하고 있기 때문에 질량이 존재하는 것입니다.

(힉스메커니즘은 바로 아래에서 다루고 있으니 스크롤 내려서 먼저 읽어보고 오셔도 됩니다.)

   

그런데 위에서 장과 입자는 따로 뗄 수 없는 존재라고 말씀 드렸었죠?

이 힉스장의 존재는 알겠는데.... 그럼 힉스입자는 어디있냐? 이게 문제입니다.

힉스장은 우주 전체에 고르게 퍼져있는데

그럼 힉스입자도 우주 전체에 고르게 퍼져있어야 하는데 왜 발견이 안 되는 것인가?

이런 생각을 하고는 힉스입자를 찾아나선 것이지요.

   

힉스입자는 태초의 입자답게 만들기가 엄청나게 어려운 입자입니다.

상상을 초월하는 에너지가 모여서 우주 탄생과 비슷한 환경을 만들어 줘야 비로소 생성되는 만나기 힘든 놈이지요.

이 입자를 발견하기 위해서 지구의 역사를 통틀어서 가장 비싸고 거대한 연구소를 만들었고 천문학적인 돈이 들어갔지만 엄청나게 정밀도를 요구하는 실험인 만큼 문제도 많았습니다.

실험 도중에 수십키로미터 밖에서 기차가 지나가도 실험결과에 오차가 생겨서 별별 외부요인을 다 고려해서 실험을 해야 했기 때문이지요.

그래서 원래는 너무 발견하기가 힘들어서 엿같은 입자(Goddamn Particle)라고 불렀었는데 이 이름이 신을 모독한다며 God Particle로 바뀐 것이지요.

힉스입자가 신의 입자로 불려지게 된 데에는 이런 어이없는 사건이 있었습니다.

   

그리고 신의입자라는 이름을 갖게 되어서 일반인들이 더 관심을 갖게 된 것도 있는데

사실은 신의 존재와는 개뿔도 관련 없는 입자입니다.

   

아마 힉스입자가 신의입자라는 이름을 갖지 못했다면, 지금처럼 일반인들에게도 이슈가 될 정도로 유명해지지 않았을 것입니다.

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5. 힉스메커니즘

   

힉스장이 표준모델의 공식 내부에서 어떻게 간접적으로 질량을 부여하는 역할을 하는지 설명하는 것이 바로 힉스메커니즘입니다.

   

힉스메커니즘을 이해하기 위해서는 질량이란 것은 도대체 무엇인지를 확실히 정의 해 줄 필요가 있습니다.

   

물리학에서 질량이 가지고 있는 의미는 아래와 같습니다.

"외부 힘에 대해서 얼마나 저항력이 큰가?"

   

전문용어로 관성이라고 하죠.

질량이 큰 물체는 운동을 변화시키는데 큰 힘이 들고

질량이 작은 물체는 운동변화가 비교적 쉽습니다.

   

즉, 질량을 일종의 저항력이라고 생각해야 힉스메커니즘이 이해가 됩니다.

   

연예인을 입자라고 생각하고 일반인을 힉스입자라고 생각 해 보세요

인기 절정의 연예인이 길을 가면 대부분의 사람들이 관심을 쏟고, 때로는 싸인해 달라고 모여들겠죠?

인기가 많으면 많을수록 이동하기가 더 힘들 것입니다.

그 반면 대중의 관심이 거의 없는 연예인은 아무런 방해도 없으니 이동하는데 저항도 없는 것이지요.

더 이해가 쉽게 그림으로 설명을 해 보겠습니다.

   

   

   

   

   

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6. 힉스입자

   

힉스메커니즘은 알겠는데 그럼 힉스입자는 무엇이고 어떻게 발견하면 되는 것일까요?

양자장 이론에서는 입자를 "장의 들뜬상태"라고 봅니다.

즉, 힉스입자란 힉스장이 들떠있는 상태죠

어떻게 들뜨게 하냐고요?

이것도 그림이 있네요 ^^

   

   

   

즉, 힉스입자를 발견해야 힉스장의 존재가 증명이 되는데

힉스입자를 만들어 내려면 힉스장이 충분히 들뜰 수 있게 되는 에너지가 필요합니다.

그 에너지가 어마어마한 양 이라서 지금껏 힘들게 찾아 헤맨 것이지요~

   

   

2012년 7월에 CERN의 LHC(Large Hadron Collider - 강입자 충돌기)가 가동되어서 고 에너지 입자의 충돌에 대한 방대한 양의 데이터를 수집했고, 그 데이터를 분석 한 결과 2013년 3월 14일에 힉스입자가 갖춰야할 조건들을 거의 다 갖춘 입자가 찾아졌다는 발표가 났던 것입니다. 이번에 발견하고 확인 한 입자가 힉스입자일 확률이 거의 확실하다고 하는데 물리학자들에게 어떤 의미가 있는가 하면

   

a. 우리가 여지껏 해 왔던 일들이 꽤나 정확한 이론들이구나~ 뻘짓이 아니라 정말정말 다행이다.

b. 스칼라 입자가 있다는 것이 확인되었으니 이 아이디어를 좀 더 확장시켜서 현재 이론이 가지고 있는 모순점들을 더 보완 할 수 있겠구나! 짱 기대된다!!!

   

이런 의미가 있는 것입니다.

   

오오!! 드디어 그토록 찾아 헤매던 신의 입자를 발견했구나!! 쩔어쩔어

이런 종류의 환호가 아니고

   

이것봐~~ 내 예상이 맞았어!!! 역시 난 천재

이런 감탄에 더 가까운 기쁨이랄까??

   

암튼 이 글로 인해 힉스입자에 대해 궁금했던 점이 많이 풀리셨기를 바랍니다~~^^