2012. 7. 5. 15:23ㆍ이야기들/과학·기술 이야기
1. 기본입자에 관한 상식
- 물질을 구성하는 기본입자: 페르미온 (쿼크 3쌍/렙톤 3쌍)
- 물질에 관한 상호작용을 매개하는데 소비되는 기본입자: 보존 (광자/WZ보존/글루온/중력자/힉스보존)
* 일상에서 쿼크는 강입자-중간자 및 양성자, 중성자 등의 중입자-를 구성하고 있으며, 전자는 렙톤의 일종.
* 광자/WZ보존/글루온/중력자는 벡터 힘을 매개하는 게이지 보존으로 분류되며, 힉스보존은 스칼라 보존으로 분류.
* 쿼크들의 결합은 색전하에 의해서 글루온을 매개로 이루어지는 강한 상호작용.
* 페르미온 및 WZ보존은 질량값이 양. 그 이외 보존은 질량값이 0.
2. 힉스보존과 질량의 관계
원자핵이 양성자와 중성자로 구성되듯, 양성자와 중성자는 쿼크라는 페르미온으로 구성된다.
그런데 묘하게도 양성자나 중성자 1개를 구성하는 쿼크들의 질량을 다 합산해보면 그들이 결합해 구성하는 입자 1개의 질량에 매우 크게 못미치는 값이 나오게 된다. 쉽게 말해 쿼크 1질량만을 사용해서 만들어진 양성자가 46질량 가량 된다.
이는 강입자를 직접 구성하는 페르미온 그 자체보다도 그 페르미온들 간에 작용하는 상호작용이 강입자의 질량 대부분을 구현하기 때문에 나타나는 현상이다. 즉 쿼크들 사이의 운동에너지를 글루온이라는 보존이 매개해주면서 상호작용이 발생하여 결합이 이루어짐과 동시에 양성자나 중성자의 질량 대부분이 구현되는 것이다.
이처럼 물질의 질량 대부분은 소립자가 아니라 그들 사이에서 작용하는 힘에 의해 구현된다. 힘에 따른 에너지가 일정공간에 묶여 고정된 상태가 질량이라고 상상하면 쉽다. 그리고 이 고찰의 연장선에서 쿼크 같은 기본입자가 지니는 미소질량조차도 다른 원초의 상호작용을 근원으로 하고 있을 것이라 예상할 수 있다. 그럼으로써 표준모형의 우주 내 모든 질량값이 몇 가지 상호작용들의 파생물로 설명될 수 있게 된다.
이에 따라 쿼크간에 상호작용(=대부분의 질량)을 매개하는데 소비되는 보존인 글루온처럼, 기본입자들 그 자체에도 원초적인 상호작용으로서 질량을 매개해주고 소비된 보존이 예측될 수 있으니 이것이 바로 힉스보존이다.
3. 힉스보존이 화제가 되는 이유
위의 설명은 어디까지나 알기 쉽게 하기위해서 정식의 이론과 다소 관점을 달리한, 역산에 가까운 것이다. 정식의 이론대로 말하면, 우주의 기본법칙으로 여겨지는 게이지 대칭성이 기본입자들이 지닌 질량의 존재와 모순된다는 점에서, 이를 설명하기 위해 자체적으로 게이지 대칭성을 깨는 상호작용을 일으키게끔 도입된 기본입자 정도로 규정된다.
힉스보존은 우주에 기본입자가 출현한 직후부터 매우 짧은 시간 동안 여타 기본입자에 질량을 매개하고 붕괴해 사라진 것으로 추정된다. 즉 힉스보존의 근본이 되는 스칼라 장은 에너지가 충분했던 우주초기에만 잠깐 활성화되었을 따름이다. 때문에 이를 발견하기 위해서는 당시의 에너지를 재현할 필요가 있고 거대한 입자가속기가 요구되는 것이다.
현대 물리학에서 힉스보존이 중요한 이유는 물질우주가 어떻게 생겼는지, 구성되었는지 설명해주는 표준이론을 증명하는데 있어서 열쇠가 되기 때문이다. 여기서 유의할 부분은 힉스보존은 어디까지나 기본입자에 질량을 부여했을 뿐 모든 질량에 직접 관여하는 것은 아니며, 애초에 현재의 우주에는 실존하지도 않는다는 점이다.
다시 말해서 힉스보존은 단지 현재 물질우주의 생성단계 및 그 원리를 설명하는데 도움을 줄 뿐인 입자이다.
참고로, 극히 일부의 사람들이 질량과 중력의 관계를 들어 이 입자를 중력과 결부짓기도 하나 결론적으로 말해 힉스보존은 중력이론과 직접적인 관계가 없다. 중력은 힉스보존의 작용과는 별개의 원초적 상호작용 중 하나로서 그 고유의 양자장이 여타 양자들의 에너지에 반응하여 나타나는 작용이므로 질량보다는 에너지의 차원에서 이해되어야 한다.
오히려 중력을 매개하는 보존은 중력자라는 게이지 보존으로 따로 예측되고 있으며 이와 관련된 양자장이론 또는 일반상대성이론 등이 중력을 설명한다. 허나 힉스보존으로 예측되는 입자가 발견되었다는 2012년 중반에조차 중력자는 아직 발견되지 않았으며, 이는 현대물리학의 우주인 표준모형의 범위를 넘어서는 미지의 영역으로 남아있다.