[신의 입자] 만물에 질량을 부여하는 입자, 힉스에 대해 알아보자. (상편)
안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.
오늘은 신(神)의 입자(粒子)라는 별명을 지닌 힉스(Higgs)에 대해 알아보겠습니다.
그 전에 잠깐!
☞ 힉스?
우주 대폭발(빅뱅) 직후 나타난 기본 소립자에 질량을 부여한 입자입니다. 힉스 입자가 있어야 우주 만물의 탄생을 설명할 수 있는데요. 1964년 영국의 피터 힉스 교수가 처음 가설을 제시하여 2012년 존재 여부가 실험적으로 밝혀졌답니다.
☞ 표준모형?
1968년 스티븐 와인버그와 압두스 살람이 제시한 입자물리학의 기본 원리입니다. 1897년 톰슨이 기본 입자 중 가장 먼저 전자를 발견했으며, 1995년 미국 페르미연구소가 톱 쿼크를 발견한 이후 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)가 힉스를 마지막으로 발견했습니다. 물리학에서 표준모형은 생물학에서의 진화론과 같은 위상을 가졌다고 볼 수 있습니다.
만물을 형성하는 입자에 질량을 주는 매개체
지난 2012년, 물질을 이루는 기본 입자 중 가장 핵심적이면서 우주 만물을 탄생시킨 주인공이라 칭해도 결코 과언이 아닌 힉스가 발견되었습니다. 힉스는 우주탄생을 설명하는 입자물리학 표준모형의 모순을 해결하기 위해 지난 1964년 피터 힉스 교수에 의해 가설로 제시된 입자인데요. 힉스는 1964년 이런 만물을 형성하는 입자에 질량을 주는 매개체가 있을 것이라고 예견했습니다.
소립자와 힘의 결합이 세상의 모든 물질을 구성한다
표준모형에 따르면 우주에는 6개의 쿼크, 6개의 렙톤으로 이루어진 12개의 소립자와, 이들 사이에 힘을 전달하는 강한 핵력, 전자기력, 약한 핵력, 중력에 해당하는 글루온, 광자, 워크 게이지 보존, 중력자로 이루어진 4개의 힘과 관련된 매개입자가 있는데요. 표준모형은 이런 소립자와 힘의 결합이 세상의 모든 물질을 구성하고 있음을 설명해줍니다. 가령 원자핵이나 원자핵 속의 양성자 등도 이런 기본 입자가 만들었다는 것이죠.
질량이 없는 기본 입자! 그런데 기본 입자로 구성된 물질에는 질량이 있다?
한편, 137억 년 전 우주 대폭발(빅뱅) 직후 탄생한 기본 입자들은 질량이 없는 반면 기본 입자들로 구성된 물질에는 질량이 존재하는데요. 힉스 입자는 이 기본 입자들에 질량을 부여하는 역할을 합니다.
힉스 입자는 왜 발견하기 힘들었을까?
힉스 입자까지 포함하면 표준모형은 총 17개의 입자로 구성되는데요. 이 가운데 힉스 입자만이 2012년 발견 이전까지 예측만 할뿐 실제로 발견하지 못한 가상의 존재로 남아 있었답니다. 나머지 16개의 입자는 137억 년 전 우주 대폭발(빅뱅) 때 생겨나서 그 존재가 확인되고 있지만 힉스 입자는 그 당시 이들 16개 입자에 질량을 부여하는 동안 아주 잠깐 동안만 존재한 것으로 추정돼 실재를 확인할 수 없었기 때문입니다.
힉스가 갖는 물리학적 의의
힉스 입자의 존재가 최종 확인됐다는 것은 질량이 있는 모든 입자의 생성 원리를 규명한다는 의미를 갖는데요. 나아가 우주 탄생의 원리를 설명하는 가장 유력한 가설인 표준모형도 완성되는 것입니다.
표준모형과 기본입자가 갖는 물리학적 위상
영국의 이론물리학자 피터 힉스(84)와 벨기에의 이론물리학자인 프랑수아 앙글레르(81)는 힉스 입자의 존재를 최초로 예언한 공로로 2013년 노벨 물리학상을 수상하였습니다. 참고로 그동안 물리학의 표준모형을 정립하는데 기여하거나, 기본 입자를 예견 혹은 발견한 사람들은 모두 노벨상을 수상했으니 이와 관련한 물리학적 의의가 얼마나 대단한 것인지 짐작이 가시나요?
비운의 천재 이휘소 박사
한편 힉스 교수가 제안한 가상의 입자에 처음으로 힉스 보존이란 이름을 붙인 인물이 바로 우리나라의 이휘소 박사라는 사실 알고 계셨나요? 그는 1965년 처음 '힉스 입자'라는 표현을 사용했으며 1972년에는 '힉스 입자에 미치는 강력(강한 핵력)의 영향'이란 논문을 국제학회에서 발표하기도 했습니다. 이휘소 박사는 또한 기본 입자의 하나인 '참 쿼크'도 처음 예측했는데요. 노벨상 수상은 정말 떼어 놓은 당상이라고 할 수 있었지만 안타깝게도 불의의 사고로 일찍 세상을 뜨고 말았답니다. 정말 슬픈 일이 아닐 수 없습니다.
아직 갈 길은 멀다
물론 힉스 입자만으로 우주의 신비가 모두 풀리는 것은 아닙니다. 현대물리학에서는 우주에 반드시 존재해야 하지만 측정할 수 없는 물질을 암흑 물질, 그러한 에너지를 암흑 에너지라 부르는데요. 전체 우주의 95%를 이 암흑 물질들로 이루어져 있기 때문에 여전히 풀어야 할 것이 산더미처럼 남은 것이지요.
만물의 이론을 향하여
과학계는 물질의 구성은 물론 암흑 물질이나 중력 등 모든 우주를 포괄해 설명할 수 있는 만물의 이론 (Theory of Everything)에 대한 연구가 계속되고 있습니다. 표준모형은 이 만물의 이론을 만들기 위한 초석 역할을 한다고 볼 수 있답니다.
내기에서 진 스티븐 호킹
여담으로 세계적으로 유명한 물리학자 스티븐 호킹 박사는 2011년 말 동료 과학자와 내기를 하면서 힉스가 없다는 쪽에 100달러를 걸었고 결국 1년여 만에 패배의 쓴맛을 보았다고 합니다.
다음 시간에는 일반인도 쉽게 이해할 수 있는 그림으로 설명하는 힉스 입자에 대해 살펴보겠습니다. 뉴욕 타임스 내용을 번역만 하여 가져올 예정이라 금방 다시 찾아뵐 수 있을 것 같습니다.
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# YHH
호킹 이외의 많은 과학자들이 힉스가 발견되지 않는 것에 돈을 걸었던 것은, 실제로 힉스가 발견되지 말라는 것이 아니라, 힉스가 발견되지 않았을 때 그들이 할 일들이 더 많아지기 때문이라고 생각합니다 (이런 의견을 들었습니다 ㅎㅎ) 7080년데 등장한 힉스장 개념 이후로 지금까지도 힉스장은 최근까지 빈번하게 쓰이고 있으니까요, 패러다임 shift 를 위해서 그러지 않았을까 싶네요.
오호 재밌는 비하인드 스토리네요
정말 그렇겠습니다 ㅎㅎ 힉스 입자의 존재가 가설 단계에서 실존 단계로 규명되면서 한편으로는 많은 분들이 할 일이 사라졌을 수도 있겠습니다 패러다임의 변화 측면에서도 공감이 가네요
아 저도 이런 내용 댓글 달려고 했는데 @beoped 님께서 이미 달아주셨네요. (힉스 내기는 처음들었습니다) 스티븐 호킹 블랙홀 내기도 유명하죠. 스티븐 호킹은 일부러 블랙홀이 아니라는데 걸었다고 하더군요.
그렇군요 ㅎㅎ 몰랐던 내용들을 소개해주셔서 감사합니다~ 입자물리 천체물리 등의 내용은 제가 관련 세부 전공 지식이 부족한데 @beoped 님 @yoon 님 두 분께 많이 의존하게 되는군요 ㅎㅎ
좋은 글 잘 보고 갑니다. 앞으로도 우주, 과학 관련된 글 부탁 드릴게요~
#kr-science 태그를 활성화시키기 위해 노력중입니다 ㅎㅎ 응원해주셔서 감사합니다
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STOP힉스 입자 관련한 내용을 일목요연하게 잘 정리해주셨네요 : ) 훈하니님 덕분에 요새 학교다닐 때도 관심없던 물리학에 흥미가 갑니다 ~
비록 전문성이 뛰어나진 않고 아직 배워가는 과정이지만 물리학의 대중화를 꿈꾸고 있습니다 ㅎㅎ 물리학에 흥미가 생기셨다니 정말 뿌듯하군요 감사합니다
그림에 있는 아틀라스 실험에 대해 자세히 설명가능하신가요? 대단히 중요해보이는데 설명이 하나도 안되있어서 궁금하네요
LHC 에서는 atlas 랑 cms 랑 두개의 디텍터를 이용한 실험이 진행중입니다. 둘 다 모두 Higgs boson 과 관련된 실험부터 시작하여 dark matter, extra dimension, Beyond Standard Model 등 을 위한 실험을 설계하고 진행중인 것으로 알고 있습니다. CMS 와 ATLAS 의 차이점은 어떤 자석, 어떤 테크니컬한 장비로 측정(?) 하는 것으로 알고 있습니다 (제 전공이 아닌지라... 몇번 이 분들을 보긴 했습니다만 자세히 듣지 않아서). 국내의 연구진들이 CMS 나 Atlas 에 많이 파견되어 일하고 있는 것으로 압니다
@gogumacat 님 항상 지켜봐주시고 응원해주셔서 감사합니다
이번에 특히 어려운 질문을 해주셨네요
@beoped 님 역시 물리 전공 학위를 하시는 듯한데 세부전공을 여쭐 수 있을련지요?
아마 @beoped 님께서 훨씬 더 전문적인 답변을 해주실 수 있을듯 합니다 ㅎㅎ
저 역시 입자물리 전공을 한 것은 아닌지라 이래저래 찾아보면서 공부하고 정리하여 전달해드리는 수준밖에 안되지만 찾은 내용을 요약해보겠습니다.
CMS(Compact Muon Solenoid) 입자검출기와 ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus) 입자검출기 모두 힉스 입자와 같은 새로운 입자와 물리현상의 탐색에 최적화된 장치입니다.
CMS 입자 검출기는 양성자-양성자 충돌에서 나오는 입자들의 종류를 판별하고 그 운동량과 에너지를 GeV∼TeV의 범위에서 정밀하게 측정할 수 있는데요.
수 TeV의 에너지를 가진 양성자와 양성자가 충돌할 때는 양성자를 구성하고 있는 기본입자들인 쿼크나 글루온이 직접적으로 상호작용합니다.
양성자가속기에서 힉스입자의 주요 생성 메커니즘은 글루온 융합과정인데 이 과정에서는 글루온과 글루온이 강한 상호작용을 통해 힉스입자를 생성하게 되지요.
힉스입자는 생성 직후 단계적인 붕괴 과정을 거쳐 최종적으로는 광자나 뮤온같은 안정한 입자들로 붕괴되는데 붕괴입자들의 종류, 에너지, 운동량을 측정하게 되면 붕괴하기 전 원래 입자의 질량을 재구성하는 방식으로 입자들을 검출한다고 합니다.
아래 자료를 참조하시면 훨씬 더 자세한 설명을 찾아보실 수 있습니다.
http://webzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/14762090307.pdf
@hunhani님, 아 저는 특별히 LHC 이쪽과는 관련이 없어요, 제 아는 지인이 LHC 와 직접적인 관련이 있어서,, 힉스 발견 당시 엄청 흥분하셨던 기억이 나네요. 그냥 기회가 몇번 있어서 이 쪽 분야 사람들을 만난 적이 있어서요. 딱히 구분짓자면 수학인(?)/ 아직 수학자는.. 정도가 되려나요. ㅎㅎ
@gogumacat 님 일단 Atlas 표시 나와있는 사진을 보면 사실 3개의 사진(?) 은 같은 실험을 나타내요. 힉스를 찾기 위해 H-> ZZ^-> 4mu decay 를 설계, 실험한건데, 맨 왼쪽 위의 자세히 보면 점 처럼 보이는 것들이 있을 텐데 거기서 입자들이 충돌을 나타내요. 오른쪽 원형 실린더 사진은 전반적인 모습을 보여주는 건데, ZZ^ -> 4 muon 을 확대해서 (바깥에서 본 그림?) 저기 빨간색으로 보이는 선이 muon 의 경로를 말해주고 있죠. 이 2012년 6월 실험으로 125Gev 의 Higgs boson 이 발견(?) 되었다고 하죠. (엄밀한 과정은 조금(?) 많이 복잡해요)
그 위의 사진은 CMS 실험(역시 2012년 이것도 힉스 보존 발견과 관련된 실험이죠)을 나타낸거고요, proton-proton 실험인데 Higgs boson 으로 부터 photon 으로 decay 하는 과정을 보여주죠. 노란색과 초록색 선이 보이나요? 힉스 보존이 광자 로 붕괴하는 과정을 보여주는 그림이에요.
cern 홈페이지에 들어가면 더 정확한 정보를 알 수 있어요. 국내 연구자들이 상당히 많이 참여하기에 한국어로 설명된 것도 볼 수 있죠.
예를 들어 해당 cms 실험 같은 경우는 https://cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/PublicDocDB/RetrieveFile?docid=6116&filename=CMShiggs2012_KO.pdf 를 보시면 더 자세히 알 수 있을 거에요
아틀라스 실험 관련해서는 https://indico.cern.ch/event/202569/contributions/1489106/attachments/305344/426480/KarolineSelbach_SUSSP2012.pdf 이걸 참조하시면 될거에요.
모두 cern webpage 에서 검색 가능하며 공개된 자료들이에요
@beoped 님 정말 감사합니다.
관련 내용을 많이 아셔서 입자물리 분야를 전공하시는 줄 알았습니다.
지인 분께서 LHC에 연관이 있다니 가까이서 이야기를 들으면 정말 흥미진진했겠는걸요?
덕분에 제가 많이 배우게 되는군요 ㅎㅎ
댓글 감사합니다. 제가 궁금한건 해소가 되진 않았는데,
그림에서 입자를 충돌하는 실험을 하는데
어떤 입자끼리 충돌하는지,
어떤 부산물, 에너지나 또다른입자, 이 나오는지,
그리고 가속기는 어떤것을 쓰는지,
우하단의 원형 그림은 어떤 의미인지 궁금합니다.
붕괴 입자 종류별 반응 / 에너지 보존 / 운동량 보존 / 질량-에너지 관계식 등으로부터 붕괴하기 전 원래 입자의 재구성된 질량을 알아낼 수 있는데요. 이 입자 붕괴 반응에 있어 입자별로 다양한 모드로 붕괴한다는 점, 각각의 붕괴 갈래비는 힉스 입자의 질량에 강하게 의존한다는 점을 이용하는 것입니다.
질량범위 120 ~ 135 GeV/c2 에서는 H→bb' (H: 힉스입자, b: 바닥쿼크, b': 바닥쿼크의 반입자)의 붕괴갈래비가 가장 크고 그 다음으로는 H→WW, H→gg(g: 글루온), H→τ(τ: 타우렙톤), H→cc’c(c: 맵시쿼크, c’: 맵시쿼크의 반입자), H→ZZ, H→γγ:(γ: 광자)의 순서로 붕괴갈래비가 크다고 합니다. 이 중에서 힉스입자를 탐색하는데 사용된 주요 붕괴모드는 H→γ:γ:, H→ZZ, H→WW으로 위 그림은 이를 형상화한 것입니다.
힉스입자의 생성은 LHC 가속기에서 100억 번의 양성자-양성자 충돌에서 1개의 힉스입자가 생성될 정도로 희귀한 사건이므로 수없이 많은 충돌이 만들어내는 배경사건과 힉스 신호사건을 분리하고 신호 대 배경사건의 비를 최적화하는 것이 힉스입자 탐색의 관건이 된다고 하네요.
매우 유용한이 기사에 대한 대단히 감사합니다 공유 주셔서 감사합니다
Thanks! It deals with the Higgs particle. I will post the English version later.
잘 읽었습니다^^
재밌게 봐주셔서 감사합니다~ 앞으로도 알찬 내용들을 소개해드릴 수 있도록 노력하겠습니다.
I really like your post ,, !!!
Thanks for sharing,,,!!!
Thanks for visiting!
정말 대단하네요. 신의 입자. 저것 때문에 많은 사람들이 긴장하고 있죠. 무엇보다 저 힉스입자를 통해서 우주의 신비에 조금이라도 다가설 수 있으니까요~^^ 이휘소 박사님 같은 경우는 정말 안타깝네요.. 우리나라의 훌륭하신 분이었는데..ㅠㅠ
힉스입자 실존이 규명되면서 표준모형이 더욱 완벽해졌습니다 ㅎㅎ 이휘소 박사님을 생각하면 정말 안타깝습니다 우리나라를 넘어서 세계에 기여하실 분이셨죠
‘입자에 질량을 부여한다’는 말을 이해하려면 힉스장이라는 먼저 알아야 하더라구요 맞나요?^^;;ㅎㅎ
아무튼
이 글을 한번읽고 모르는 용어만 구글링해서 두번째 읽고 이론을 찾아보고 세번째 읽는데, 읽을수록 흥미롭고 공부해야할 내용이 방대해 놀랐습니다.
오래된 학문답지 않게 알아내야할 것이 너무 많아 즐거우실것 같습니다!!!!
하하 입자물리 전공은 아니라 저도 이래저래 찾아보고 공부하면서 정리한 것에 불과합니다. 다음 편에서 일반인도 쉽게 이해할 수 있는 그림으로 설명하는 내용을 소개하고자 합니다.
고대하고 있겠습니다~ ^^