입자 물리학의 핵심 '힉스 보손', 대체 뭘까?

입자 물리학은 사실 대중들이 크게 관심 있어 하는 분야는 아닙니다. 매번 정치나 유명 인사 관련 가쉽에 밀려 헤드라인에 오르지 못하고는 하죠. 그러나 2012년 7월 4일 유럽입자물리연구소(CERN)가 힉스 보손으로 추정되는 새로운 입자를 발견했다는 소식을 전하자 모든 미디어의 관심이 입자 물리학에 쏠렸습니다. 왜 이런 현상이 일어났냐고요? 이는 '신의 입자'라 불리는 힉스 보손의 명성 때문이었습니다. 과학자들은 힉스 보손을 빅뱅 직후, 모든 소립자에 질량을 부여한 존재로 가정하고 있답니다. 이 입자의 발견은 현재 물리학에서 다루어지고 있는 우주론이 얼마나 실제와 근접한 지 가늠하는 척도로 이어질 뿐만 아니라 이를 활용하면 우주의 미래에 대해서도 예측이 가능해지므로 미디어 역시 해당 발견에 대해 대대적으로 보도한 것이죠. 

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힉스 입자가 무엇인지에 대해 더욱 깊이 이해하기 위해서는 표준 모형 이론에 대해 검토해봐야 할 필요가 있습니다. 표준 모형이 현시점 우주 내에서 발생하는 상호작용에 대해 가장 잘 설명하고 있는 이론이기 때문이죠. 물리학자들은 우주라는 복잡한 존재를 기본적인 구성 요소로 설명하기 위해 노력해왔는데요. 그 결과 등장한 이론이 바로 표준 모형이며 입자 물리학에서는 현재 이 이론을 차용하고 있다고 합니다. 입자 물리학에서는 수 세기 동안 입자에 관한 연구가 이어져 왔으며 이로 인해 많은 진보가 이루어졌는데요. 원자를 발견한 것을 시작으로, 양성자, 중성자, 전자 그리고 물질을 구성하는 가장 기본적인 입자인 쿼크와 렙톤까지 발견하는데 이르렀다고 합니다. 

1970년 초반에 개발된 표준 모형에 의하면, 우주 전체는 12개의 물질 입자와 4개의 힘으로 이루어져 있으며 12개의 물질 입자는 6개의 쿼크와 6개의 렙톤으로 구성되어 있다고 해요. 쿼크는 양자와 중성자를 구성하는 한편, 렙톤에는 전자와 전자 중성자 등이 포함되어 있다고 합니다. 과학자들에 따르면 쿼크와 렙톤은 분리하거나 더 작은 입자로 분해할 수 없다고 하는데요. 이러한 물질 입자들과 더불어 표준 모형에서 인정하고 있는 힘에는 중력, 전자기력, 강력 및 약력이 있다고 해요. 입자 물리학에서는 중력, 전자기력, 강력 그리고 약력을 통합하려는 시도가 존재해왔으며 바로 이 네 가지 기본 힘 중에 중력을 제외한 힘들을 통합한 이론이 바로 표준 모형 이론이랍니다. 표준 모형이 등장한 이후로 입자 물리학의 실험 결과들은 무리 없이 설명되어 왔으나, 쿼크와 렙톤의 상호 작용을 매개하는 입자들 가운데 힉스 보손만은 여전히 발견되지 않았다고 합니다. 

 

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기본 모형의 마지막 퍼즐 조각, 힉스 보손

대부분의 사람은 '힘'을 유(有)와 무(無)를 연결하는 존재로 인식하는 경향이 있습니다. 그러나 사실 힘이라는 것은 물질 그 자체만큼이나 실체가 명확한 존재죠. 과학자들에 의하면 질량은 힘을 통해 구현된다고 하는데요. 힘에 따른 에너지가 특정 공간에 묶여 고정된 상태를 '질량'이라 부른답니다. 질량은 입자 고유의 특징 아니냐고요? 물론 질량은 입자 고유의 특성입니다만, 질량은 입자가 본래 가지고 있던 속성이 아니라 힉스 보손과의 상호작용으로 생기는 특성입니다. 입자 물리학의 표준 모형에서는 어떤 입자가 힉스장과 상호 작용을 함으로써 질량이 생기며 상호 작용의 정도와 질량의 크기는 비례 관계에 있다고 설명합니다. 이를 참고하면 광자 입자나 글루온 입자처럼 질량을 지니지 않는 입자들은 힉스장과 상호작용을 하지 않는다고도 볼 수 있죠. 심지어 쿼크 같은 기본입자의 미소질량 조차도 이러한 상호작용을 기반으로 한답니다. 이러한 관점에서 표준 모형을 적용하면 우주 내 모든 질량 값이 상호 작용의 결과물이라는 결론을 낼 수 있습니다.   

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2012년 7월 4일 대형 강입자 충동기(LHC)로 힉스 보손을 찾던 과학자들에 의해 해당 입자로 추정되는 입자가 발견되었습니다. 그러나, 이 입자에 대한 연구와 데이터가 추가로 필요하다는 이유로 몇몇 과학자들은 이 입자를 '힉스라이크'라 부르기로 했는데요. 이 입자가 힉스 입자이든 아니든 해당 입자의 발견은 대중으로부터 입자 물리학에 대한 관심을 끌어냈으며 이를 통해 우리가 우주의 미스터리를 푸는데 한층 더 가까워졌다는 데 의의가 있답니다. 

 

 

 

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