우주 물리학의 힉스입자란 무엇인가요

Question

우주 물리학에서 우주 에너지에 관한 과학계의 의문이 많다고 합니다. 우주 물리학에서 언급되는 힉스입자가 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.

힉스 입자(Higgs particle, Higgs boson)는 입자물리학의 표준 모형(standard model)에 따르면 우리 우주를 구성하는 가장 근본적인 입자의 하나로서 스핀이 0인 보손이다. 힉스 보손 (Higgs boson), BEH(Brout-Englert-Higgs) 입자, 혹은 BEH 보손이라고도 한다. 표준모형을 구성하는 기본 입자들 중에서 힉스 입자가 2012년에 세른에서 가장 마지막으로 발견됨으로써 표준모형의 실험적 검증이 완료되었다. 힉스 입자는 다른 기본 입자가 힉스 메커니즘을 통해 질량을 갖게 되는 과정에서 나타나는 입자로서 표준모형의 이론적 구조를 완성하는 데 중요한 역할을 한다.

그림 1. 힉스 입자 (출처:한국물리학회)

힉스 입자의 질량은 125 GeV/c2이고 전기적으로 중성이며 색전하도 없다. 따라서 전자기력이나 강한 상호작용은 느끼지 못하며 약한 상호작용을 통하여 다른 입자들과 상호작용을 한다. 표준모형에서 유일하게 스핀이 0인 입자, 즉 스칼라(scalar) 입자이다.

힉스 입자는 1964년에 독립적으로 나온 세 편의 논문에서 처음으로 이론적으로 연구되었다. 세 편의 논문 중 한 편은 브라우트(R. Brout, 1928-2011)와 앙글레르(F. B. Englert, 1932-), 다른 한 편은 힉스(P. HIggs, 1929-), 그리고 마지막 한 편은 구럴닉(G. S. Guralnik,1936-2014), 하겐(C. R. Hagen, 1937-), 키블(T. Kibble, 1932-)이 쓴 것이다. 이들의 연구 결과는 1967년에 와인버그(S. Weinberg, 1933-)와 살람(A. Salam, 1926-1996)이 입자물리학의 표준 모형의 일부로 채택되었다. 2012년에 CERN에서 힉스 입자가 발견되어 앙글레르와 힉스는 2013년 노벨 물리학상을 수상하였다.

힉스 입자의 역할과 중요성을 알려면 먼저 1960년대 초 까지의 상황에 대한 이해가 필요하다. 1940년대 말에 전자기력을 양자역학적으로 설명하는 이론인 양자전기역학이 완성되었다. 그러자 물리학자들은 1950년대에 접어들어 강한 상호작용과 약한 상호작용에 대해서도 양자전기역학과 같은 이론을 찾기 시작하였다. 특히 약한 상호작용은 전자기력과 유사한 점이 많이 있어서 두 힘을 통합하는 연구도 시도되었다. 그러나 여러 문제점이 있었다. 우선 약한 상호작용이 미치는 거리는 전자기력과 달리 매우 짧았다. 이것은 힘을 전달하는 입자가 질량이 있다는 것을 의미한다. 그런데 당시에는 이렇게 힘 전달 입자에 질량이 있으면 물리량에 무한대가 나오기 때문에 소위 재규격화가 가능한 완결된 이론을 만들 수 없다고 알려져 있었다. 또한 양자전기역학의 이론적 틀인 게이지 이론에서는 힘 전달 입자가 질량이 없어야만 한다. 그러므로 게이지 이론의 틀 안에서 약한 상호작용을 설명한다고 해도 최종적으로는 게이지 대칭성을 깨어서 힘 전달 입자의 질량이 생기도록 만들어야 한다. 요약하자면, 게이지 대칭성을 도입하되 결과적으로는 그 대칭성이 없어야 하고 그러면서도 재규격화가 가능한 이론을 찾아야만 한다는 것이다.

이와는 별개로 1960년대 초에는 대칭성에 대한 연구가 급진전되었다. 특히 일반적으로 양자장론에서 어떤 대칭성이 스칼라 장(scalar field)에 의해 자발적으로 깨어지면 자동적으로 골드스톤 보손(Goldstone boson)이라는 질량이 없는 입자가 생긴다는 사실이 알려져 있었다.

위에서 언급한 세 논문은 이러한 상황에서 발표된 것이다. 이 연구에 의하면 자발 대칭 깨짐이 일어나는 이론 중에서 게이지 대칭성이 있는 이론에서는 골드스톤 보손이 생기지 않는다. 대신에 게이지 장(gauge field)이 골드스톤 보손을 흡수하여 질량이 생겨난다. 이 과정을 힉스 메커니즘이라 한다. 이를 약한 상호작용에 적용하면 게이지 이론의 틀 안에서 약한 상호작용의 힘 전달 입자가 질량이 있는 이유를 설명할 수 있다. 특히 이 과정에서 전자기력이 자연스럽게 약한 상호작용과 통합된다. 또한 재규격화도 가능하다는 것이 후속 연구에서 밝혀지게 되었다.

추가적으로, 힉스 메커니즘이 일어나는 과정에서 두 가지 효과가 더 발생한다. 첫째, 대칭성이 깨어지는 과정에서 쿼크나 렙톤 등 기본 입자의 질량이 자연스럽게 생겨난다. 둘째, 대칭성을 깨는 스칼라 장은 일부가 게이지 장에 흡수되지만 일부가 남는다. 이 남은 일부가 만들어내는 입자는 질량을 가지고 있다. 이 입자를 힉스 입자라 한다. 2012년 세른에서는 이 힉스 입자를 발견함으로써 표준모형의 최종 증거를 찾았다.

Answer 2

안녕하세요. 이중건 과학전문가입니다.

힉스 입자의 질량은 125 GeV/c2이고 전기적으로 중성이며 색전하도 없다. 따라서 전자기력이나 강한 상호작용은 느끼지 못하며 약한 상호작용을 통하여 다른 입자들과 상호작용을 한다. 표준모형에서 유일하게 스핀이 0인 입자, 즉 스칼라(scalar) 입자이다.

힉스 입자는 1964년에 독립적으로 나온 세 편의 논문에서 처음으로 이론적으로 연구되었다. 세 편의 논문 중 한 편은 브라우트(R. Brout, 1928-2011)와 앙글레르(F. B. Englert, 1932-), 다른 한 편은 힉스(P. HIggs, 1929-), 그리고 마지막 한 편은 구럴닉(G. S. Guralnik,1936-2014), 하겐(C. R. Hagen, 1937-), 키블(T. Kibble, 1932-)이 쓴 것이다. 이들의 연구 결과는 1967년에 와인버그(S. Weinberg, 1933-)와 살람(A. Salam, 1926-1996)이 입자물리학의 표준 모형의 일부로 채택되었다. 2012년에 CERN에서 힉스 입자가 발견되어 앙글레르와 힉스는 2013년 노벨 물리학상을 수상하였다.

힉스 입자의 역할과 중요성을 알려면 먼저 1960년대 초 까지의 상황에 대한 이해가 필요하다. 1940년대 말에 전자기력을 양자역학적으로 설명하는 이론인 양자전기역학이 완성되었다. 그러자 물리학자들은 1950년대에 접어들어 강한 상호작용과 약한 상호작용에 대해서도 양자전기역학과 같은 이론을 찾기 시작하였다. 특히 약한 상호작용은 전자기력과 유사한 점이 많이 있어서 두 힘을 통합하는 연구도 시도되었다. 그러나 여러 문제점이 있었다. 우선 약한 상호작용이 미치는 거리는 전자기력과 달리 매우 짧았다. 이것은 힘을 전달하는 입자가 질량이 있다는 것을 의미한다. 그런데 당시에는 이렇게 힘 전달 입자에 질량이 있으면 물리량에 무한대가 나오기 때문에 소위 재규격화가 가능한 완결된 이론을 만들 수 없다고 알려져 있었다. 또한 양자전기역학의 이론적 틀인 게이지 이론에서는 힘 전달 입자가 질량이 없어야만 한다. 그러므로 게이지 이론의 틀 안에서 약한 상호작용을 설명한다고 해도 최종적으로는 게이지 대칭성을 깨어서 힘 전달 입자의 질량이 생기도록 만들어야 한다. 요약하자면, 게이지 대칭성을 도입하되 결과적으로는 그 대칭성이 없어야 하고 그러면서도 재규격화가 가능한 이론을 찾아야만 한다는 것이다.

이와는 별개로 1960년대 초에는 대칭성에 대한 연구가 급진전되었다. 특히 일반적으로 양자장론에서 어떤 대칭성이 스칼라 장(scalar field)에 의해 자발적으로 깨어지면 자동적으로 골드스톤 보손(Goldstone boson)이라는 질량이 없는 입자가 생긴다는 사실이 알려져 있었다.

위에서 언급한 세 논문은 이러한 상황에서 발표된 것이다. 이 연구에 의하면 자발 대칭 깨짐이 일어나는 이론 중에서 게이지 대칭성이 있는 이론에서는 골드스톤 보손이 생기지 않는다. 대신에 게이지 장(gauge field)이 골드스톤 보손을 흡수하여 질량이 생겨난다. 이 과정을 힉스 메커니즘이라 한다. 이를 약한 상호작용에 적용하면 게이지 이론의 틀 안에서 약한 상호작용의 힘 전달 입자가 질량이 있는 이유를 설명할 수 있다. 특히 이 과정에서 전자기력이 자연스럽게 약한 상호작용과 통합된다. 또한 재규격화도 가능하다는 것이 후속 연구에서 밝혀지게 되었다.

추가적으로, 힉스 메커니즘이 일어나는 과정에서 두 가지 효과가 더 발생한다. 첫째, 대칭성이 깨어지는 과정에서 쿼크나 렙톤 등 기본 입자의 질량이 자연스럽게 생겨난다. 둘째, 대칭성을 깨는 스칼라 장은 일부가 게이지 장에 흡수되지만 일부가 남는다. 이 남은 일부가 만들어내는 입자는 질량을 가지고 있다. 이 입자를 힉스 입자라 한다. 2012년 세른에서는 이 힉스 입자를 발견함으로써 표준모형의 최종 증거를 찾았다.