공부하고 정리하고

자연계를 이루는 모든 기본입자들은 기본 고유량을 가지고 있습니다.
전하량과 스핀 그리고 질량을 가지고 있습니다. 이중에 질량은 어떻게 생기게 되는지 궁금했습니다. 질량은 왜 다른 것인지 어떻게 생겨나는 것인지 말입니다.
이를 설명해주는 것이 힉스입자이고 CERN에서 입자가속기를 통해 찾아내었습니다.
그래서 오늘은 힉스에 대해서 간단히 알아보고 어떻게 찾아내었는지도 간략히 알아보겠습니다.

힉스란?

137억년 전 우주 탄생 당시 모든 물질에 질량을 부여해준 입자입니다. 그래서 신의 입자라고도 불립니다.

이 힉스입자는 힉스장을 형성합니다. 광자가 전자기력장을 형성하는 것처럼요.
이 힉스장과 상호작용을 강하게 하는 물질일수록 많은 질량을 부여받습니다. 여기서 상호작용을 강하게 한다는 것은 물질이 이동을 할 때 더 많은 저항을 받는다는 이야기입니다.

우리가 아는 이야기로 한다면 뉴턴의 운동법칙인 F=ma를 떠올려보죠. 질량이 높을수록 더 많은 힘을 필요로 합니다. 즉, 이동을 시키는데 더 많은 힘이 드는 것이죠.
이러한 것처럼 힉스장을 통해 상호작용을 한 정도로 입자들은 질량을 부여받습니다.

그렇다면 질량이 없는 입자는?
힉스장과 상호작용을 하지 않는 것이죠.

LHC 가속기를 통한 검출

여기서 사용되는 입자가속기도 앞으로 제가 아는선에서 간단하게 설명을 할 예정입니다. 하지만 오늘의 주제에서 약간 벗어나는 만큼 간단히 사용되는 가속기의 과정만 설명하겠습니다.

처음에 양성자와 같은 입자를 선형 가속기를 사용해 booster시켜 가속을 조금 시켜줍니다.
이때 중성자와 같이 전하가 중성인 입자는 사용할 수 없습니다.
가속기는 전자기력을 이용해 가속시키기 때문입니다.
그런데 이 선형가속기로는 한계가 있고 더 높은 에너지까지 가속을 위해서 단계적으로 가속을 시켜줍니다. 싱크로트론이라는 링모양의 가속기를 통해서 말입니다.
이 가속기는 반경이 클수록 더 높은 에너지로 가속을 시킬수 있습니다. 그래서 순차적으로 더 반경이 큰 가속기를 사용해 가속을 시키고 마지막으로는 반경이 27km인 LHC를 통해 7TeV라는 테라 크기의 에너지까지 가속을 시킵니다.

그리고 반대편에서는 똑같이 7TeV의 에너지를 가진 양성자를 보내 부딪히게 하고 붕괴 당시에 나오는 입자들을 검출기를 통해 검출하도록 합니다. 여기에는 여러 검출기들이 있지만 ATLAS와 CMS가 대표적이고 CMS 검출기가 힉스입자 발견을 해내게 됩니다.

여담으로

여기서 검출기는 대형 검출기이고 매우 복잡합니다. 기본적으로 붕괴 시 발생하는 입자들을 검출해내기 위해서는 매우 정밀하고 예민한 상호작용을 해주어야 합니다. 그렇기에 수많은 검출기들이 달려있는데 이중 우리나라에서 뮤온 검출기를 제작해서 CMS검출기에서 현재 사용 중이라고 합니다.

한가지 명심해야하는 것이 입자를 가속한다고 해서 1개의 입자만 가속한다고 생각하면 안됩니다. 그렇게 하는 것이 불가능하기도하고 결과값을 얻어내기도 힘들겁니다. 그래서 한번에 많은 입자들이 가속이 됩니다. 그런데 가속되서 붕괴입자가 나온다고 모든 데이터를 다 읽을수 있을까요?
아닙니다. 초창기에는 검출기에 1011개의 충돌 데이터가 들어온다고 하면 여기서 1개정도의 데이터를 얻었다고 합니다. 현재는 20~30개 정도의 데이터를 얻을 수 있다고 하니 많이 정밀해졌습니다.
그래서 1초에 4000만번정도 충돌을 시키고 이중에 300~400개의 데이터를 얻어와 분석을 한다고 합니다.

여기까지 읽으셨으면 오늘의 주제인 힉스와 무슨 상관이 있는지 이해가 잘 안되실 겁니다.
사실 가속기소개를 건너뛰고 여기서부터 읽어도 됩니다. 앞의 내용은 힉스입자를 발견하기위한 도구에 대한 간략한 설명일뿐입니다.
이 입자가속기에서 힉스를 확인하는 방법은 다음과 같습니다.
(저도 왜 이러한 과정으로 발생하는지 모릅니다. )
총 14TeV에 해당하는 에너지의 충돌로 붕괴하기 시작한 양성자에 쿼크와 글루온이 직접적으로 상호작용을 하고 있습니다.
(쿼크는 표준모형이 뭐지?)
(글루온은 힘의 근원은 뭘까?) 에서 설명하였습니다.

이때 두개의 글루온이 순간적으로 강한상호작용을 하여 힉스입자를 만들어 냅니다.
이 힉스입자는 단계적으로 붕괴하여 광자와 뮤온을 방출하게 되고 이를 검출기를 통해 검출합니다. 이때 발생하는 과정은 에너지보존과 운동량보존을 따르므로 역으로 계산을 할수있게 됩니다.

위와 같은 식에 따릅니다. 이때 계산된 질량은 불변질량이라 합니다.

이 세상에 존재하는 모든 입자들의 질량은 우리가 파악을 하고 있습니다. 이를 불변질량분포를 통해 그래프로 나타내었을 때 만약 위에서 구한 식에 따라 구한 질량이 불변질량분포와 다르다면?
즉, 그래프에서 공명이 나타나면 다른입자임을 의심할 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 힉스입자의 존재를 규명했습니다.
하지만, 검출은 매우 까다롭다고 합니다. 100억번 충돌시 1번정도 나올정도의 가능성이라고 하니 매우 까다롭다는 것을 알수 있습니다.

힉스입자를 발견해내었지만 아직 입자물리는 갈길이 많습니다. 아직 설명이 안되는 현상이 많기 때문입니다. 대표적인 해결해야할 문제들은 다음과 같습니다.

• 힉스입자는 자신에게 질량을 부여하고 그럴경우에 매우 높은 질량을 가진다는 문제가 존재합니다. 이 문제를 해결하는 방법이 대칭성을 가진 여러 개의 힉스입자가 있을것으로 생각되어 집니다.
• 중성미자들은 상호작용으로 전자뉴트리노에서 타우나, 뮤온 뉴트리노로 바뀔수 있습니다. 이를 위해서는 중성미자가 질량이 존재해야할 것으로 생각이 되는데 이를 검출하기 위해 노력중에 있습니다.
• 암흑물질과 암흑에너지에 관해서 예전에 (유령 같은 존재들 : 암흑물질과 암흑에너지를 알아보자)에서 소개했었는데요. 암흑물질과 암흑에너지에 대한 확인이 필요합니다.

위 문제들을 언젠가는 알게 되는날이 오겠죠? 힉스입자처럼 언제가는 발견이 되거나 새로운 이론이 등장할 것입니다. 이번 포스팅까지해서 입자에 대해서 알아보았는데요.
입자물리에 대해 제대로 공부해본적이 없기에 포스팅에 앞서 여러 정보를 찾아보고 쓴다고 썼지만 한계가 많음을 느꼈습니다. 그래도 끝까지 읽어주셔서 감사드립니다.