신의 입자라 불리우는 힉스 보손의 발견이 위대한 이유
지난번 포스팅 (링크) 에서는 양자역학이 어떻게 등장 했는지 그 과정에 대해 다루었습니다.
이번에는 양자역학 때문에 밝혀진 신의 입자 힉스 보손을 중심으로 미시세계에 의해 더 파고 들어가 보도록 하겠습니다.
힉스보손의 발견
힉스 보손이라는 단어를 한번씩 들어 보셨을 겁니다. 우주를 구성하는 기본 물질 중 하나로 추정되는 입자 인데요. 유럽입자물리연구소(CERN)의 둘레 27km 짜리 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 힉스 입자로 보이는 물질을 발견하면서 유명해 졌습니다. 2012년의 일입니다.
당시에 우주의 기원을 풀 수 있느니 하면서 떠들썩 했었지요. 왜냐하면 힉스 입자는 입자에 질량을 부여하는 물질의 최소단위로 존재가 ‘예측’만 되었었거든요.
가장 작은 단위의 물질 구성요소 - 페르미온과 보손
물질의 최소단위는, 현재 쿼크로 위시되는 ‘페르미온’들과 상호작용의 매개체 역할을 하는 ‘보손’. 이 두 가지 소립자로 구성되어 있습니다.
보손에는 전자기력을 만들어 주는 광자, 강한핵력을 만들어 주는 글루온, 약한핵력을 만들어 주는 W/Z 보손이 존재하는데요. 물질에 질량을 부여해 주는 힉스 입자 역시 보손의 일종으로, 존재만이 예언되어 있는 상태였습니다.
엥? 페르미온은 뭐고 쿼크는 뭐고 보손은 또 뭔가요?
한번 간단히 정리해 보시죠.
우선 고등학교 때 물질의 기본 단위는 원자라고 배웠습니다. 이들 원자는 전자와 원자핵으로 구성되어 있음이 밝혀져 있지요. 그리고 원자핵은 다시 중성자와 양성자로 구성되어 있음도 알고 있고요.
각종 원소는 이들 양성자, 중성자, 그리고 전자의 개수에 따라 수소가 되기도 하고 헬륨이 되기도 하고 그렇습니다. (수소는 양성자가 1개, 헬륨은 2개 입니다)
양성자와 중성자 내부에 있는 소립자 쿼크
원자핵의 구조가 밝혀진 뒤, 과학자들은 계속해서 이들 중성자와 양성자는 무엇으로 구성되어 있나 의문을 품었습니다. 왜냐하면 전하가 없는 중성자가 달라붙어 있으려면 반드시 내부에 어떤 특별한 입자가 존재해야 한다고 생각되었거든요.
(양극의 양성자가 음극의 전자가 아닌 중성자와 붙어있네? 라는 질문에서 출발했습니다.)
그래서 미국의 한 이론 물리학자가 간단하지만 파격적인 가설을 세웠습니다. 1962년 머리 갤만이 세운 쿼크 가설입니다.
분수로 이루어진 독특한 쿼크의 전하량
중성자와 양성자 내부에 업 쿼크, 다운 쿼크라 불리 우는 두 가지 쿼크가 존재한다고 보았습니다. 이들의 전하는 각각 +2/3, -1/3을 가지고 있다고 생각했지요.
예를 들어 양성자의 경우는 업쿼크 2개, 다운쿼크 1개를 가지고 있고. 따라서 이들 전하 값를 모두 더해서 +1이라는 양성자의 전하를 가진다고 주장했습니다. 마찬가지로 중성자는 업쿼크 1개, 다운쿼크 2개를 가지고요.
양성자 전하량 1 = 업 (+2/3) + 업 (+2/3) + 다운 (-1/3)
중성자 전하량 0 = 업 (+2/3) + 다운 (-1/3) + 다운 (-1/3)
'
발표 당시 이 가설은 학계의 많은 비판을 받았습니다. 전하가 정수 값이 아닌 소수 값을 가지다니요. 슈퍼에서 라면 하나를 반으로 갈라 따로 판다는 발상만큼 받아들여지기 힘든 내용이었습니다. (지금은 수박이 반으로 잘라 팔리는 세상 입니만 -_-)
더욱이 1/3 단위는 소수로 나누어 떨어지지도 않습니다. 0.3333333… 이니 아마 머리 겔만이 죽을 때 까지 정확한 소수값을 찾을 수 없을 겁니다.
(색이론은 도저히 머리에 안들어와서 그냥 건너뜁니다. 쿼크는 녹색, 빨간색, 청색의 세가지로 이루어 져 있습니다. 양성자 안에 쿼크가 세개 있는 이유기도 합니다. 세 색이 합쳐지면 무색이 된다는 이론인데......-_-)
쿼크를 연결해주는 소립자 보손 '글루온'
그리고 이 쿼크를 연결하기 위해 별도의 소립자가 필요하다고 봤습니다. 글루온이라 불리우는 보손이 이들입니다. 이들은 질량을 갖지 않으며, 단순히 상호작용을 전달하는 매개체로써의 존재가 예측되었지요.
어려워 보이는데 공놀이 할 때 사람을 쿼크, 공을 보손(글루온 보손)이라고 보시면 됩니다.
과학자들은 쿼크가 보손 (글루온 보손)이라는 공을 주고 받으며 상호작용이 이루어 진다고 생각했습니다.
양성자는 쿼크로 이루어 지며, 쿼크는 보손이라는 소립자에 의해 연결되어 있다! 우주를 구성하는 4가지 힘인 중력, 전자기력, 강한핵력, 약한핵력 네 가지 가운데 강한 핵력을 구성하는 소립자가 규정된 것입니다.
확인 방법은 간단합니다. 어짜피 가시광선의 파장 보다 더 작은 녀석들이니 직접 현미경으로 볼 수는 없을 노릇이고. 양성자들 끼리 서로 부딪쳐 뭐가 튀어나오는지 확인해 보면 될 뿐입니다.
문제는 양성자를 가속하기 위해서는 상상하기 어려운 수준의 에너지와 기술이 필요했다는 것이었죠. 간단히, 우라늄의 원자핵 분열을 이용한 원자폭탄이 얼마나 큰 에너지를 가지는지 상상해 보시면 됩니다.
저 녀석들은 (양성자 중성자가 튀어나가면서) 스스로 붕괴하려는 성질이 있어 에너지가 ‘방출’되지만, 그 근원의 입자를 분리하기 위해서 양성자를 쪼개려면, 그 이상의 어마어마한 큰 에너지가 필요했습니다.
대형 가속기의 발전으로 여러 페르미온과 보손을 발견
시간이 흘러 강입자 가속기라는 물건이 만들어 집니다. 거대한 도넛 모양으로, 직진하는 양성자를 전자석으로 궤도를 휘게 만들어 주는 장치입니다.
가속이 시작되면 짧은 순간 동안 양성자를 도넛에 가두고 마음대로 만져 볼 수 있게 되었습니다. 여기에서 양성자를 충돌 시킨 뒤 뭐가 튀어나오는지 확인 할 수 있게 되었습니다.
먼저 쿼크의 존재가 확인됩니다. 양성자를 27km 반경의 가속기에서 초당 1만번 이상 회전시켜 충돌 시켰습니다.
직접 관측이 되진 않았으나, 충돌 전 후 입자들의 에너지를 비교해 보니 양성자 내부에 페르미온인 쿼크와 보손인 글루온이 있음이 확실해 졌습니다. 질량이 0인 에너지 전달 매개인 소립자 ‘보손’이 확인되었습니다.
이외에도 다양한 2,3세대 쿼크 및 각종 중성미자들이 발견되었습니다. W/Z 보손이라 불리 우는 게이지 보손들의 발견 덕분에 4대 힘중에 약한 핵력을 구성하는 에너지 전달 물질이 확인되었습니다.
예측 50년 만에 질량에 관여하는 힉스 입자를 발견하다
이제 과학자들은 힉스 보손으로 눈을 돌렸습니다. 다른 소립자들이 확인되었으니 힉스 보손도 분명히 존재할 것이다!
네, 그리고 서두에 언급된 대로 2012년 세른의 강입자 가속기에서 힉스보손으로 추정되는 물질이 존재함이 확인 되었지요. 물질에 왜 질량을 만들어 주는 기본 입자가 확인된 것입니다.
힉스보손이 질량을 부여하는 메커니즘은 아래 포스팅에서 쉽게 설명 되어 있으므로 읽어보시기를 추천합니다.
소립자 고유의 물리량이 존재하지 않는 힉스보손
힉스 보손의 발견이 쿼크나 글루온의 발견보다 대단한 이유 바로, 힉스보손의 발견으로 인해 다음 타자인 중력자의 발견에 한걸음 다가갈 수 있게 되었기 때문입니다.
왜 중요한지 조금 깊게 들어가 봐야 겠네요.
보손은 페르미온이라는 입자 사이에서 상호 작용을 일으키는 소립자다. 라는 것 기억 하시지요? 그리고 보손에는 쿼크를 묶어주는 글루온 보손이 있고, 빛을 구성하는 기본 물질인 광자가 있습니다. 역시 보손의 한 종류입니다.
W/Z 보손이라는 것도 있는데 이들은 베타붕괴라는 양성자의 자발성 붕괴에서 관측되는 특이한 보손입니다.
그런데 이들 보손의 물리량을 나타내는 스핀 값이란 숫자는 모두 +- 1입니다.
그냥 단순한 이해를 위해, 이들은 진동할 때 양의 방향으로 한 바퀴, 혹은 음의 방향으로 한 바퀴 돈다고만 생각하세요. (스핀 값 자체가 추상적인 개념입니다. 쿼크와 같은 페르미온들은 1의 절반인 1/2의 값을 가지지요). 모두 한 바퀴만 도는 스핀 값을 가집니다.
스핀이 1의 값을 가지는 보손을 모두 게이지 보손 이라고 지징 합니다. 위에서 언급된 글루온, 광자, W/Z 보손은 모두 게이지 보손 입니다. 존재가 수학적으로 예측되었고, 실제 발견되었습니다.
그럼 힉스 보손은 어땠을까요?
힉스보손은 스핀 값이 0입니다.
도는지 안 도는지도 몰랐기 때문에 수학적으로 예측도 불가능했습니다. 있을 거라고 주장’되었’고 상식적으로 말이 맞는 이론이었지만, 정말 말로만 존재가 가능한 입자였습니다.
처음 1964년 예언한 힉스 박사 역시, 태초에 질량을 부여하고 사라진 입자가 있을 것이다’ 라는 예언에 가까운 주장을 했었지요. (사실 사라졌다는 말은 맞지 않습니다. 힉스 메커니즘에 의해 지금도 여전히 사물은 질량을 가지고 있습니다. 지금도 있지만 보지 못할 뿐입니다.)
그리고 결국 드디어 스핀 값이 0인 입자가 발견되었습니다!
0의 값은 곳 아무것도 존재하지 않았던 태초의 상태
스핀값 0인 입자의 발견은 어떤 의미를 가지고 있을까요.
스핀값이 존재하는 경우 - 어떤 완전체에서 대칭성이 붕괴하면서 각각의 성질을 가지고 있다고 보고 있습니다.
0인(힉스 보손) 어떤 존재에서 1/2 (쿼크) 혹은 1인 (게이지 보손) 소립자가 탄생했다고 생각하는 것이지요.
때문에 이들 입자는 모두 우주의 시작인 빅뱅 이후 거대한 에너지의 자발적 붕괴에 의해 발생한 것으로 추측되었습니다.
힉스보손을 찾았다라는 말은 곧 빅뱅의 근거를 찾았다 라고 보시면 됩니다.
소립자의 물리량 - 스핀값의 물리학적 의미
왜 스핀 값이 정 수값이 아닌 분수값을 가지는지 궁금한 분들을 위해 내용을 조금 더 정리해 보면,
스핀이 1/2이라 함은 충돌(치환)후 상태의 변화가 확인 가능한 경우에 매겨진 숫자이고, 스핀이 1이라 함은 충돌 후에도 정확한 상태의 변화가 확인 불가능한 경우에 매겨진 숫자입니다.
이를 1과 -1의 치환에서 설명하는 예가 있습니다. 1은 양수입니다. 실제로 존재하는 숫자이지요. A라는 물체가 B로 치환될 때의 상태를 1로 놓습니다. A가 B로 치환되는데 1, 이를 다시 A로 재치환 하면 1이 됩니다. 1*1은 1이고 A의 최종 상태는 1이 됩니다.
반면 -1은 음수입니다. 실제로 존재하지 않는 가상의 숫자입니다. C라는 물체가 D로 치환될 때의 상태를 -1로 놓습니다. C가 D로 치환되는데 -1, 이를 다시 C로 재치환하면 -1이 됩니다. -1*-1은 1이고 C의 최종 상태는 1이 됩니다.
1이기도 하고 -1이기도 하다라. 킁킁 뭔가 좀 냄새가 나지요? 지난 포스팅에서 다루었던 이중 슬릿 실험에서 전자의 이중성이 바로 여기에 해당합니다. 중첩되어도 상태를 정확히 알 수 없는 녀석들을 스핀 값을 +-1인 정수로 표현한 것입니다. 게이지 보손이 모두 여기에 해당되고요.
힉스입자로 0의 상태, 태초의 '무'를 증명해 내다
자, 힉스 보손은 스핀 값이 0 입니다. 스핀 값이 없으므로 물리적인 상태 자체를 규정할 수 없는 소립자입니다. 질량이 얼만지도 모르고 전하도 0인 미지의 입자였었습니다.
빅뱅의 순간 감깐 나타났다가 사라졌을 것으로 추측된 입자였는데. 이게 2012년 세른의 강입자 가속기에서 결국 확인된 것입니다.
질량도 몰랐던 데다가 충돌 시험에서 거의 등장하지 않아 확인이 어려웠었는데, 대형 강입자 가속기의 등장으로 존재를 확인할 수 있었습니다.
조낸 큰데서 조낸 많이 시험하다 보니 어라? 뭔가 이상한 게 튀어나오는데 이게 뭐지? 라고 정리해 보았더니 아… 이게 바로 힉스입자 였구나. 하는 상황이라고 보시면 됩니다.
99%의 확률로 힉스 입자다 라고 공식적으로 발표했으니, 학계가 술렁거렸던 건 당연지사. 왜 질량이 만들어지는지의 힉스 메커니즘이 실제 존재함이 밝혀졌습니다.
이제 학계의 다음 관심사가 ‘왜 중력이 만들어 지는지’ 중력을 부여하는 소립자인 중력자로 넘어갈 수 있게 되었습니다.
P.S.1. 힉스입자는 ‘신의 입’자라는 이름으로 한동한 언론 지면상에 떠들썩한 화젯거리가 되었습니다. 하지만 재미있게도 신의 입자라는 어원은 알려진 바와 달리 Goddamn Particle, 망할 놈의 입자에서 유래되었다고 하는군요. 태초를 구성했던 입자라는 의미가 아니라고 합니다.
P.S.2. 비전공자가 풀어가는 내용입니다. 오류가 있으면 반드시 지적 부탁드립니다. 제가 이해할 수 있으면 모든 사람이 이해할 수 있겠다라는 생각으로 정리한 포스팅입니다.)
P.S.3. 근래 준비했던 포스팅 중에 가장 긴 시간이 걸렸습니다. 기획에서 정리까지 순수하게 약 1주일을 쓴 것 같습니다. 글 쓰는 일도 일이지만, 내용 자체를 이해하는데 시간이 많이 걸렸습니다. 띄엄띄엄 정리했으니 거의 한달을 준비한 셈이네요 -_-
* 원자는 전자와 원자핵으로 이루어 져 있음을 발견 -> 각종 화학 결합에서 확인
* 원자핵에 양성자가 있음을 발견 -> 질소기체에 알파입자를 충돌 시키니 수소기체가 발견 / 질소 원자핵의 양성자가 떨어져 나가면서 발생 (1914년 러더퍼드)
* 알파입자는 방사능 물질이 자연 붕괴될 때 나오는 입자 (후에 양성자2, 중성자2인 헬륨 원자핵과 동일 구조임이 밝혀짐)
* 원자핵에 중성자가 있음을 발견 -> 질소기체에 알파입자를 충돌 시키니 알 수 없는 입자가 검출 퀴리가 발견, 1932년 채드윅이 원자핵의 무게 = 양성자 + 중성자 임을 정리
* 쿼크이론 -> 머리겔만 1962년
내용 출처
힉스입자란
http://www.zdnet.co.kr/news/news_view.asp?artice_id=20120707190842
힉스입자란 (여기는 꼭 들어가 보세요. 강추!)
펜타쿼크 발견 관련 기사
http://www.huffingtonpost.kr/2015/07/15/story_n_7799020.html
톱쿼크 발견 관련 기사
http://www.sisapress.com/news/articleView.html?idxno=26491
나무위키 - 힉스보손
https://namu.wiki/w/%ED%9E%89%EC%8A%A4%20%EB%B3%B4%EC%86%90
소립자이야기 - 페르미온과 보손
http://www.nobel.or.kr/science-story/physics-science-story/1701.htm
위키백과 - 알파입자
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%8C%ED%8C%8C_%EC%9E%85%EC%9E%90
위키백과 - 중성자
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A4%91%EC%84%B1%EC%9E%90
핵의 구조 - 중간자 예언 / 핵의 구조
http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/nuclear/nuclearmodel/nuclearstruct/nuclearstruct4.html
동아사이언스 - 머리갤만과 쿼크이론
http://www.dongascience.com/news/view/7705
위키백과 - 대형 강입자 충돌기
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