최신 현대 물리에서 자주 등장하는 표준모형과 힉스 입자. 루리웹 여러분은 한번씩은 들어 보셨죠?

근대 이게 무슨 개념인지 잘 설명한 내용은 없는 거 같아서 제가 한번 설명해 보려구요.

 

최대한 단순하게~

일단 대칭성이라는 것이 있습니다. 어떤 것을 기준으로 같은 모습을 보이는게 대칭성이잖아요? 가운데 선이든, 거울 표면이든.

물리에서는 게이지 대칭성이라는 것이 있는데요, 이건

이런 내용입니다. 좀 직관적으로 이해하기 쉽게는, 위치에너지가 높은 에베레스트 산 꼭대기랑 지하 깊숙한 곳에서 물리 법칙은 똑같다는 거죠.

이런 내용으로  전개 하다 보면 표준모형의 수학적 계산들이 나옵니다. 대충 에너지와 퍼텐셜이라는 개념들을 전개하면 됩니다.

그리고 양자장 이론이라는게 있는데, 전자기장이라고 들어 보셨죠? 자석을 가운데 두면 자석 주위로 장판이 깔리듯 자기장이 형성되는게 눈에 보이잖아요?

그런 현상에서 실재로 힘을 전달하는 것이 '양자', 어떤 덩어리라고 가정하는 게 양자장 이론입니다. 

대표적으로 빛(전자기파)은 전자기력을 전달하는 양자죠.

 

표준 모형을 만들다 보면 이런 '양자'들이 몇가지 더 예측 되고 실험에서도 관측이 됩니다.

 

표에서 맨 오른쪽에 있는 글루온과 그 밑의 3가지가 힘을 전달하는 '양자'에요. 이런 애들을 보존이라고 부릅니다.  

각각, 글루온은 강력을, 밑의 포톤은 전자기력을, 밑의 W,Z 보존은 약력을 전달하는 애들이에요.

강력은 핵, 그러니까 양성자 중성자안에서 서로 붙잡고 있도록 만들어 주는 힘입니다. 쿼크가 결합하는데 필요해요.

 

 

전자기력, 포톤은 지금 모니터에서도 나오고 있어요.

 

 

약력은 베타붕괴, 양성자 -> 중성자 + 전자 + 중성미자 로 변하는데 이때 에너지를 매개하는 '양자'들이 W, Z 보존입니다.

 

 

일반적인 상태에서 이런 물질들을 발견하기란 쉽지 않습니다. 빛은 흔하지만요. 그래서 고안 된 것이 고에너지 상태에서 실험하는 방법이죠. 입자가속기를 이용해서요.

마치, 바다속 깊은 곳에서 일어나는 보기 힘든 일들을 바다 표면까지 끌고 올라오는 것과 같은 의미에요.

 

 

그런데, 문제가 생겼습니다. 이런 표준모형의 출발점이 되는 게이지 대칭성으로는 각 물질들의 질량이 설명이 안되는 겁니다.

이때, 일본 과학자인 난부 요이치로가 한가지 제안을 합니다. '자발적 대칭성 깨짐'이라는 개념을요. 대칭성이 있었는데, 깨졌다~이런겁니다.

이런 일련의 논의를 거치고 제안된 것이 힉스 장이고, 이 힉스 장을 매개하는 입자가 힉스입자입니다. (힉스는 사람 이름입니다.)

위에 게이지 대칭성이라는 것이 어떤 에너지 상태에서도 같은 현상을 보인다는 것이었죠? 그런데 그런 대칭성이 깨졌다는건, 어느 부위에서는 깨진 대칭성을 확인 할 수 있을 거라는 생각을 하게 됩니다.

지금 우리 주변은 에너지 수준이 낮아서 대칭성이 깨졌지만, 높은 에너지 준위에서는 확인 할 수 있다는 거죠. 그리고 2013년에 확인을 했습니다.

 

이 힉스입자는 대칭성이 깨지면서 어딘가로 사라져야 했습니다.

에너지로 바뀌던지, 결합하던지. 에너지 보존 법칙에 따라 존재해야 하는 건 사실이니까요. 그런데 에너지로 바뀌는 건, 양자역학에서 '양자'가 되는거죠. 위에 있는 4개의 매개 입자로 바뀌고 남은 양은 어딘가로 가야해요. 그래서 다른 물질들과 결합해서 질량을 부여 했다, 라는게 힉스입자에 대한 설명입니다.

 

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