Higgs boson → ???!!!

힉스 보존(Higgs boson)은 전약력 대칭을 깨는 가상의 스칼라 기본입자다. 대칭 파괴에 따른 힉스 메커니즘으로 인하여, 본래 질량이 없는 손지기 페르미온 (쿼크와 대전된 렙톤)과 게이지 보존 (W와 Z보존)은 질량을 가지게 된다. 영국의 물리학자 피터 힉스의 이름을 땄다. 아직 실험적으로 발견되지 않았으며, 거대 하드론 충돌기에서 발견되거나 반증되리라 예상한다.

 

힉스 보존은 표준 모형의 유일한 스칼라 입자이다. 자발적 대칭 깨짐을 통해 진공 기대값을 갖게 돼, 유카와 상호작용에 의해 페르미온에 질량을 준다. 이 과정은 힉스 메커니즘 (혹은 힉스 앤더슨 메커니즘)이라고 부른다. 힉스 메커니즘 이외에 복합 힉스 입자나 테크니컬러 등의 대안이 있다.

힉스 보존의 정확한 종류와 수는 모형에 따라 다르다. 가장 간단한 경우인 표준 모형에서는 단 하나의 힉스만이 존재하고, 이는 중성 스칼라다. 최소 초대칭 표준 모형(MSSM)과 같은, 두 종의 힉스 이중항이 있는 경우, 5개의 힉스가 있다. 이 가운데 2종은 중성 스칼라 (H⁰, h⁰), 1종은 중성 유사스칼라 (A⁰), 2종은 전하를 띤 스칼라(H^±)다

 

힉스 보존은 2008년부터 가동하고 있는 거대 하드론 충돌기에서 발견되리라고 기대하고 있는데, 이 가속기에서는 양성자 충돌에 의하여 힉스 보존 외에도 다른 여러 알려지지 않은 입자들이나 새로운 물리적 사실도 발견될 것으로 예상한다. 유럽입자물리연구소(CERN)는 2011년 12월 13일(현지시간) 거대강입자가속기(LHC)에서 양성자 충돌실험을 반복한 결과 힉스 입자(Higgs boson)로 추정되는 흔적을 발견했다. 그러나 아직 힉스 입자의 존재 여부를 확실하게 얘기할 수는 없으며, 추가실험을 통해 입증할 수 있다고 말했다.

 

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http://news.hankooki.com/lpage/culture/201112/h2011121402431186330.htm

 

"신의 입자 '힉스' 존재 흔적 찾았다"

■유럽입자물리연구소 실험결과 발표
우주탄생 비밀 풀 단초
"존재확률 최소 95% 이상… 내년이면 확실해 질 것"
99.99994% 돼야 확실… "예단 이르다" 지적도

 

변태섭기자 libertas@hk.co.kr

입력시간 : 2011.12.14 02:43:11

 

유럽입자물리연구소의 강입자충돌기(LHC)에 설치된 CMS 검출기. 이번 실험에는 LHC의 4개 입자 검출기 가운데 CMS와 아틀라스(ATLAS)가 쓰였다. CERN 제공

우주의 탄생 비밀을 밝혀줄 '신(神)의 입자'의 흔적이 발견됐다. 현대 물리학의 근간인 '표준모형'을 완성할 마지막 조각 힉스(higgs)입자 발견이 가시화하면서 세계 물리학계가 흥분하고 있다.

스위스 제네바에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN) 소속 과학자들은 13일 오후(현지시간) 세미나를 열고 힉스 입자의 존재를 시사하는 근거를 찾았다고 밝혔다. AP는 "충분한 데이터가 쌓이는 내년이면 힉스의 존재 여부를 확실히 알 수 있을 것"이라고 전했고, 영국 BBC 방송도 "힉스 입자의 모습이 희미하게 드러났다"고 보도했다.

 

이날 미국, 유럽 등 국제공동연구진은 대형강입자충돌기(LHC)에 설치한 두 검출기(CMS, ATLAS)로 실험한 연구결과를 발표하면서 힉스 입자가 존재할 확률이 최소 95% 이상이라고 밝혔다. ATLAS팀은 126Gev(기가전자볼트)에서 2.3시그마(98%)의 확률로, CMS팀은 124Gev에서 1.9시그마(95%)의 확률로 힉스가 존재할 수 있다고 발표했다.

ATLAS팀의 책임자인 이탈리아 물리학자 파비올라 지아노티는 연구결과 발표 후 "아직 최종 결론을 내리기에는 이르며 더 많은 연구와 자료가 필요하다"면서도 "향후 몇 개월이 매우 흥미진진할 것"이라고 말했다. 

 

박인규 서울시립대 물리학과 교수는 이번 성과에 대해 "수십 년 간 추적해온 힉스 입자의 꼬리를 잡은 것"며 "내년이면 오류 가능성이 100만분의 1(5시그마) 수준에 이르러 좀 더 확실하게 알 수 있을 것"이라고 말했다. 이강영 건국대 물리학과 교수는 "이번 발견은 표준모형뿐 아니라 초대칭이론도 뒷받침하는 성과"라고 말했다. 초대칭이론은 표준모형에서 우주를 구성하는 입자들과 짝을 이루는 새로운 입자가 있다고 설명하는 물리학 이론. 이 이론에선 힉스 입자의 질량이 130Gev를 넘지 않아야 한다고 본다.

1964년 그 존재에 대한 예측이 나온 이후 좀처럼 모습을 드러내지 않았던 힉스 입자의 존재 가능성 시사에 세계 물리학계는 한껏 고무됐다. 표준모형은 우주가 17개 입자로 이뤄졌다고 설명하는데, 힉스는 그 중 유일하게 발견되지 않은 입자다. 특히 힉스 입자는 우주를 구성하는 16개 입자에 질량을 부여한다고 해 '신의 입자'로 불린다. 가령 전자의 질량이 왜 9.11×10^-31kg 인지 그 수수께끼를 푸는 열쇠를 힉스가 쥐고 있단 얘기다.

CERN이 프랑스와 스위스 국경 지하 100m에 둘레가 27㎞나 되는 거대한 원형 가속기인 LHC를 지은 첫 번째 목적도 힉스 찾기였다. LHC는 양성자 수억 개가 몰려있는 양성자 뭉치를 빛의 속도로 가속시킨 다음 충돌시켜 빅뱅(우주 대폭발) 뒤 1,000만 분의 1초 상황을 재현하는 실험을 2008년부터 계속 해왔다. 137억년 전 빅뱅으로 우주의 탄생과 함께 잠시 나타났다가 사라진 힉스를 찾기 위해서다. 양성자 뭉치가 부딪힐 때마다 새로 생긴 입자 수백 개가 내는 전기신호를 두 검출기(CMS, ATLAS)가 기록해 힉스 입자가 나왔는지 확인해온 것이다.

CMS팀에 참여한 손동철 경북대 물리학과 교수는 "표준모형이 옳다는 게 어느 정도 증명된 만큼 추가 연구로 계속 검증해 나가야 한다"며 "힉스 입자가 확인되면 CERN에선 이를 토대로 우주의 암흑물질을 이루는 입자 등 표준모형에 없던 새로운 입자를 찾아 나설 수 있을 것"이라고 말했다.

그러나 힉스 입자가 존재할 확률이 99.99994%(5시그마)에 미치지 못하기 때문에 섣불리 예단을 해서는 안 된다는 지적도 나온다. 손 교수는 "모든 정황을 봤을 때 살인범이 99% 유력해도 법원이 1% 가능성을 보고 유죄를 선고하지 않는 것과 같다"고 말했다.

CERN은 LHC를 내년까지 가동한 뒤 수년 간 여러 장치를 보완해 2030년까지 운영한다는 계획이다.

"한국 과학자 60명 힉스 찾기 연구 참여… 작지만 매운 역할"
국내 검출기 실험사업 책임자 박인규 교수 "정부의 과감한 투자 필요"

"대형강입자충돌기(LHC)로 힉스 입자가 나왔는지 탐색하는데 한국인 과학자 4명이 참여하고 있습니다. 그 외에도 검출기(CMS)를 만들고 여기서 나온 자료를 분석하는 등 여러 중요한 일을 하고 있죠."

한국 CMS실험사업팀 연구책임자인 박인규(사진) 서울시립대 물리학과 교수는 13일 "한인 과학자들이 힉스 찾기 연구에 '작지만 매운' 역할을 했다"고 말했다. CMS 실험에는 40개국의 과학자 3,300여명이 참여해 수년 째 연구를 하고 있다.

박 교수는 "특히 양성자 빔 뭉치가 충돌해 생긴 여러 입자가 내는 전기신호를 기록하는 장치를 개발하는데 한국 연구진이 큰 역할을 했다"고 말했다. 이 장치로 기록한 정보는 힉스 입자 발견 여부를 분석하는 기초 자료가 된다. CMS 검출기에 장착된 뮤온 검출기 제작에도 참여했다. 뮤온은 양성자 뭉치 빔이 충돌하면서 생긴 입자가 붕괴해 나타난 물질. 뮤온이 내는 전자신호를 갖고 충돌 당시 어떤 일이 벌어졌는지 알 수 있다.

"최근엔 LHC에서 얻은 정보를 분석하는 일에 중점을 두고 있어요. 컴퓨터 500대를 병렬로 연결해 정보분석센터를 만들었는데, 여기서 힉스 입자에 관한 정보를 분석했습니다." LHC를 1년 가동해 얻은 정보량은 약 10페타바이트(PB)다. 700메가바이트 CD 1,500만장에 담을 수 있는 엄청난 양의 정보를 전세계 41개 센터에서 나눠 분석하는데, 한국도 그 중 하나를 운영하고 있다는 것이다.

그러나 박 교수는 "한국이 이번 연구에서 결정적인 역할을 하지 못한 게 아쉽다"고 했다. 현재 교육과학기술부에서 한국 CMS실험사업에 지원하는 돈은 연 30억원. 이 정도로는 많은 입자물리학자가 참여하기 어렵다. 그는 "원래 국내 물리학자 200여명이 참여하려고 했는데 예산이 부족해 60명만 참여하고 있다"며 정부의 과감한 투자가 필요하다고 밝혔다.

"힉스 입자 발견에 대해 선진국과 우리가 갖는 시각 차이가 굉장히 큽니다. 힉스 입자를 찾는 건 22세기를 좌지우지할 일인데 '그거 발견해서 뭐하겠냐'고 생각하는 거 같아서 안타까워요."

변태섭기자

 

 

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http://extrad.egloos.com/1810880

 

힉스 입자가 발견되면 좋은게 뭘까?

 

LHC가 가동되고 꾸준히 언론에 오르내리면서 물리학과 기초과학에 대해 어느 때 보다도 큰 관심이 쏠리는 것을 목격하고 있습니다. 블랙홀의 생성이나 빅뱅의 재현, 초대칭 입자의 발견, 암흑 물질의 발견, 초끈 이론의 증거 포착 등등등 SF 보다 더 재미난 과학적 논의들에 전문가가 아닌 일반인들이 관심을 가진다는 자체가 매우 고무적인 일이라고 생각하기에 일단 저도 기분이 좋습니다.

그런데 LHC 가동의 제1의 목적은 '힉스 입자'라고 불리는 무겁고, 스핀이 없으며, 모든 알려진 기본입자들에 질량을 부여하는 역할을 하는 '이론적' 입자, 즉, 아직 그 존재에 대해 아무런 실험적 증거를 갖고 있지 못한 그 입자를 발견하는 것이라는 것을 다시 한 번 강조하고 싶습니다.

힉스 입자는 질량을 부여하는 역할을 함과 동시에 실은 '통일성 (unification)'에 지대한 역할을 하는 입자이기도 합니다. 뉴턴이 수학적 방법으로 물리학을 기술하기 시작한 후 물리학자들이 알아낸 가장 중요한 자연의 비밀중 하나가 바로 "겉보기에 전혀 상관없을 것 같은 물리 현상의 이면에 깊은 연관이 있고 결국 단순하고 통일된 방식으로 자연이 작동하고 있다"는 것인데요, 힉스 입자는 특히 전자기력과 약한 핵력(방사성 붕괴, 별이 빛나는 이유와 관련된 힘)이 태초에는 동일한 힘이다가 어느 순간 서로 다른 힘으로 분화하게 되는데 결정적인 역할을 했다고 물리학자들은 생각하고 있습니다. 그렇게 생각하면 힉스 입자를 발견하는 것은 철학적으로도 매우 깊은 의미가 있다고 볼 수 있겠군요.

힉스 입자는 지난 300여년 이상 인간이 자연을 이해하는 방식 - 보다 단순한 원리로 부터 많은 현상을 이해하고, 설명하고, 이용하는 그 방식-이 여전히 유효하며, 성공적이라는 것을 보여줄 매우 중요한 단서를 제공할 것으로 기대합니다. 비단 물리학자들의 호기심 충족이 아니라 인간의 사유 체제에 깊은 의미가 있다는 말씀을 드리고 싶어요.

그렇지만, 여전히 90억불 이상 들여 연구할 가치가 있는지, 특히 LHC의 성과로부터 우리네 삶이 어떤 직접적인 혜택을 받을 수 있는지 따져보고 싶은 분들이 계시리라 생각합니다. 아무리 흥미로워도 그리고 그 의미가 아무리 깊고 심오해도 우리가 밥을 먹고, 잠을 자고, 옷을 입는데 직접적인 혜택이 없다면 90억불이 낭비라는 느낌을 갖는 현실적인 분들 말입니다.

우선 90억불이라는 금액에 대해 한 번 생각해 보고 싶습니다. 우리돈으로 거의 9조원에 달하는 어마어마한 금액이군요. 그런데 바로 얼마전 외환 금리를 잡기 위해 투여된 (그리고 일주일후 감쪽같이 그 효과가 사라진) 정부 투여 자금 규모가 얼마인지 한 번 생각해 보시면 90억불의 의미가 조금 다르게 느껴지실지 모르겠습니다. 금액의 규모 비교를 위해 관련 기사 하나 [링크]합니다.

또 하나 볼까요?

미국은 이라크에서 여전히 그 의미를 찾기 힘든 전쟁을 오랫동안 지속해 오고 있는데요, 2007년 미국 정부가 대체 에너지 개발을 위해 투입한 금액과 이라크 전쟁에 1년간 사용한 정부 예산 규모를 비교하는 매우 흥미로운 도표가 있습니다. 출처는 [이곳]입니다. 이라크 전쟁 몇 주 쉬면 LHC가 하나씩 태어날 수 있었어요. 적어도 바보같은 전쟁보다 LHC가 훨씬 가치로운 일이라는데 많은 분들이 동의하시리라 생각합니다.

물론 90억불은 전혀 작은 돈이 아닙니다. 하지만 이미 인류가 가지고 있는 경제력과 이런 저런 일에 실제 쓰이고 있는 금액의 규모로 보건데 세계의 입자물리학자들 전체가 기획하고 참여하며 그 결과를 숨을 죽여 기다라고 있는 LHC에 투입된 자금 규모가 꼭 그렇게 크다고 볼 수는 없다는 말씀을 드리고 싶어요.

그런데 실제로 LHC는 이미 인류 기술력의 총체로서 그 역할을 해냈을 뿐 아니라, 앞으로 나올 물리학적 산물과 또 투입된 기술 개발로 인한 스프링 오프를 생각했을 때 노다지가 될 가능성이 농후하다는 것 또한 사실입니다. 한 예로 우리가 사용하고 있는 인터넷 월드-와이드-웹(www)이 바로 CERN에서 개발되었다는 것을 또 말씀 드리지 않아도 많이 알고 계시죠? www의 경제적 효용성을 얼마라고 봐야할까요?

저는 LHC가 탐구하게될 10^-17 cm (나노-나노 스케일 보다 좀 더 작습니다) 세계의 물리학적 지식이 언젠가 오늘날 나노 테크놀로지가 그러하듯 실제 우리 산업에 중요한 키워드가 될 날이 오리라 기대합니다. 나노 세계의 물리학을 20세기 초반 처음으로 인류가 이해하기 시작해서 100여년이 지난 지금 드디어 그 산물들이 나오기 시작하고 있잖아요? 전자기학에 대해 19세기에 들어와 이해하기 시작한 인류가 20세기 전기문명을 이루게 된 역사가 되풀이 되리라는 당연한 희망을 가져보자구요!