힉스 보손

기본입자 Elementary Particle
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주요 성질		스핀 · 색 · 맛깔					}}}}}}}}}

영어	Higgs boson
기호	[math(\rm H)][1]

1. 개요2. 이론3. 발견4. 신의 입자?5. 여담

1. 개요

표준 모형의 기본 입자 중 하나다. 1964년 영국의 이론물리학자인 피터 힉스가 자발적 대칭성 깨짐(=힉스 메커니즘 혹은 힉스-앤더슨 메커니즘)을 설명하기 위해 도입한 개념으로, 이것이 바로 우리들이 잘 알고 있는 기본입자들의 관성 질량 [2]을 만들어내는 것이다.

스칼라 보손, 즉 스핀이 0인 보손이다. 스핀을 보통 입자의 회전이라는 고전역학적인 현상으로 대응시켜 설명하기는 하지만 엄밀히는 고전역학적으로 상상할 수 있는 물리량은 아니다.

2. 이론

힉스 보손은 표준 모형에서 대칭성을 설명하기 위해 정의된 입자이다. 게이지 대칭에 대해선 게이지 보손 문서에 설명되어 있다. 1964년에 동시다발적으로 게이지 보손에 질량을 주는 힉스 메커니즘이 제안되었다.[3] 일반적으로는 게이지 보손의 질량은 0이지만 약한 상호작용의 게이지 입자인 [math( W )], [math( Z )]입자들은 질량이 크다.[4] 질량이 0이 아닌 게이지 입자들을 설명하기 위한 메커니즘인 힉스 메커니즘은 전체적으론 대칭적이지만 최소 에너지 상태 근처에선 비대칭적인 힉스장을 가정해서 원래 존재하던 대칭적이고 질량이 0인 게이지 보손을 질량이 0인 광자(전자기력)과 질량이 큰 3개의 [math( W^+ )], [math( W^- )] 및 [math( Z^0 )]입자(약한 상호작용)로 나누는 데 성공했다.

1967년 와인버그와 살람에 의해 힉스장으로 게이지 입자들 뿐만이 아니라 페르미온들에게까지 질량을 주는 방법이 고안되었다. 물질을 기술하는 양자장 이론은 가장 기초적인 형태로는 질량을 포함하지 않는데 이는 게이지 대칭성을 유지하면서 질량을 주는 항을 넣기가 까다롭기 때문이다.[5][6] 그러나 현실에서는 많은 소립자가 질량을 가지고 있기에, 이런 모순을 해결하기 위해 힉스 장을 이용하였다.

'힉스장'이 없는 곳에서 입자들은 상대성으로 정의되는[7] 질량을 가질 수 없다. 하지만, 힉스장이 입자와 상호작용을 하면 그 부분에서의 힉스장의 밀도가 상승하는 경향이 존재한다. 일명 '힉스장의 밀도 차이'가 질량의 개념이 되는 것이다. 단적으로 설명하자면 무거운 놈이 가벼운 놈보다 무거운 이유는 무거운 놈이 힉스입자와 상호작용을 많이 하는 놈이기 때문이라는 것.[8]

이를 정리하면 다음과 같다.

물리법칙의 항상성을 위해 게이지 대칭성을 도입한다.
약한 상호작용의 문제점과 전자기약력의 통합을 위해 힉스 메카니즘(=자발적 대칭성 깨짐)을 도입한다.
또한 추가로, 입자들이 질량을 가질 수 없다는 문제점을 해결하기 위해 힉스장을 이용해 표준모형을 완성한다. 이 표준모형은 실험적인 예측에서 엄청난 성공을 거둔다.
힉스장의 확실한 증거인 힉스 입자를 찾아 이론의 무결성을 증명하고 싶었던 과학자들은 힉스 입자를 찾기 위해 엄청난 노력을 한다.

이렇게 정리할 수 있다. 즉 개념으로서 도입된 이후, 다양한 실험적 증거들로 보강되고, 그 마침표를 찍기 위해 힉스 입자를 찾으려 한 것.

한 가지 주의할 점은 힉스장의 존재가 다수의 기본 입자가 개별 질량을 가진다는 사실을 설명하기는 하지만 질량 자체를 설명하는 것은 아니라는 점이다. 이를 설명하기 위해 여러 기본 입자로 구성된 원자 모델을 가정해보자. 이 원자를 구성하는 기본 입자들이 힉스장에 의해 가지는 질량을 다 더했을 때, 그 총합은 원자의 질량보다 작다(!). 그 기본 입자들이 원자 내에서 서로 상호작용하면서 나타나는 질량을 고려하지 않았기 때문이다. 결론은 '''힉스 보손은 기본 입자에 질량을 부여하기는 하지만, 이와 별개로 기본 입자 간의 상호작용 또한 질량이라는 물리적 성질에 영향을 미치는 요소이기 때문에 힉스 보손이 거시적 관점에서 보았을 때 질량의 핵심 요소라고 보기에는 부족함이 있다."이다. 실제로도 힉스 매커니즘의 한계를 뛰어넘기 위해 입자들의 질량을 주는 여러가지 가설들이 제안되어 있다. 참조. 질량이 무엇인지는 질량 문서를 참고하자.

3. 발견

그동안 물리학에서는 모든 물질과 힘이 16개의 입자와 이 모든 입자에 질량을 부여하는 힉스 보손으로 구성되어 있다는 가설을 가지고 있었다. 그러나 16개의 입자가 실험을 통해 입증되었었지만, 이 힉스 보손만은 50년 넘게 증명되지 않았던 것.

그러던 것이 CERN에서 2013년 3월 14일, 우리가 힉스 보손을 발견한 것 같은데 맞는지 확인하는 중이라고 공식 발표했다. 그리고 마침내 2013년 10월 6일, 이 입자가 힉스 보손임을 확정 발표했다. 무려 50년 넘게 물리학의 숙제였던 힉스 보손이 드디어 발견되었다.

4. 신의 입자?

종종 "신의 입자"로 불리기도 하는데, 이것은 리언 레더먼(1922~2018)[9]의 책 제목인 "God Particle"에서 따온 것이다. 사실 "Goddamn Particle", 즉 "빌어먹을 입자"로 하려 했으나 출판사 쪽에서 수정한 것이라고.

이러한 별명 때문에, '힉스 보손이 발견되면 기독교가 부정당한다' 혹은 '힉스 보손이 신의 존재를 증명한다' 같은 유사과학적 괴담이 돌기도 했으나, 원래 별명인 '빌어먹을 입자'(goddamn particle)라는 별명에서 보듯 종교와는 전혀 관계가 없다.

5. 여담

힉스의 바다[10]에서 힉스 보손은 특이하게도 온도가 약 10¹⁵ K 이상으로 올라가면 힘이 0이 된다. 때문에, 빅뱅이 진행되면서 온도가 10¹⁵ K 이하로 내려갈 때 근본 입자에 질량을 가지도록 했을 것이라 추측된다. 반대로 말하면, 이 온도 이상에서는 질량의 개념이 사라져 미래로의 단방향 시간여행이나 빛의 속도로 이동하는 것이 가능할지도 모른다. 물론 이런 방식의 시간여행이나 광속 이동은 사실상 불가능하다. 조건을 갖추기 위한 에너지는 둘째치더라도 핵융합도 물질을 통한 차폐가 안 돼서 토카막을 사용하는데, 하물며 10¹⁵ K에서야... 애초에 현대 기술력으론 10¹⁵ K를 버틸만한 물질 자체가 없다. 10¹⁵ K는 태양 중심부 온도(약 1500만 K)의 1억 배 정도다.[11]

힉스의 포텐셜은 아직 중간 지점이고[12], 모든 양자는 언젠가 존재만 겨우 유지할 수 있는 최소 에너지 상태인 바닥으로 가려고 하고 힉스 입자는 아직 '덜' 바닥 상태이기 때문에 현재 우주의 진공은 진짜 진공 상태가 아니게 되는데 먼 미래에 힉스 보손이 바닥 상태에 돌입하면 가짜 진공 상태가 진짜 진공 상태가 되어 현재 입자의 근본부터가 그냥 파괴되는 진공 붕괴가 일어난다는 이론도 있다.

진공 붕괴 관련 쿠르츠게작트 영상

양자장론에서, 표준 모형에서 전약력 대칭을 힉스 메커니즘 대신 새로운 게이지 대칭을 도입하여 깨뜨리는 이론을 테크니컬러(technicolour)라 한다. 테크니컬러에서 도입하는 새로운 대칭은 낮은 에너지에서는 가둠에 의하여 숨겨지게 된다. 그런데, 힉스 보손이 발견되면서 테크니컬러 이론은 사장되었다.

[1] 수소의 원소 기호와 겹치기 때문에 수소를 [math(p+e^-)]로 쓰는 등 힉스 보손과 구별하기 위한 다른 방법을 쓰게 된다.[2] 물질 질량의 대부분은 질량-에너지 동등성에 의한 것으로, 힉스 메커니즘은 단지 기본 입자의 질량을 만들어줄 뿐이다.[3] 이름에서 눈치챘겠지만 그 제안 중 하나가 피터 힉스에 의한 것이다.[4] 따라서 존재하는 데 필요한 최소 에너지가 있으며 반대급부로 불확정성의 원리에 따라 가상 입자의 존재 시간이 짧아야 한다. 존재 시간이 짧다는 것은 그동안 짧은 거리만을 이동 가능하다는 것이고 약한 상호작용 짧은 거리에서만 작용한다는 사실을 반영한다[5] 상호작용에 관련된 게이지 대칭성은 입자간의 상대성을 배제하므로, 입자간의 가장 기본적 상대성인 질량이 존재할 수 없다.[6] 본래 질량은 중력을 발생시키는 중력질량과 입자의 힘에 대한 반응과 관련된 관성질량으로 나눌 수 있는데 여기서 얘기하는 것은 관성질량이다.[7] 전통적인 질량의 정의가 A보다 B가 무겁다, 가볍다 식의 상대성이다.[8] 브라이언 그린의 저서에서 인용해 힉스장을 아주 쉽게 설명하자면 팔을 뻗어 휘저으면 무게가 느껴지는데 이는 팔이 공간을 지나가면서 힉스장과 많이 상호작용을 일으키기 때문이다.[9] 중성미자 연구로 1988년 노벨 물리학상을 수상한 물리학자이다.[10] 힉스 보손이 가득 들어찬 우주 공간을 일컫는다.[11] 그냥 가설이라 딱히 공신력 있는 주장은 아니다.[12] 첫 발견 당시, 2018년 실험 결과 중간 지점일 확률이 높다고 나왔다.