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힉스입자 증명

 

 

힉스

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요약우주 공간에 가득차 있는 입자이며 소립자의 질량을 만들어 내는 근원이 된다.

1960년대 이후 입자 물리학에서는 물질을 구성하는 소립자와 이들 사이의 상호작용에 대한 연구가 진행되었고, 이들 소립자를 설명하는 ‘표준모형(standard model)’이 성립되었다. 자연계의 모든 물질은 6개의 중입자(쿼크)와 6개의 경입자(렙톤), 그리고 이들의 반입자로 구성되어 있다. 또한 이들 입자 사이에는 네 가지 기본 힘(중력, 전자기력, 약력, 강력)이 존재한다. 표준 모형에 따르면 네 가지 힘에는 각각의 힘을 매개하는 입자가 있는데, 중력을 매개하는 중력자, 전자기력을 매개하는 광자, 약력을 매개하는 W와 Z입자, 강한 핵력을 매개하는 글루온이 그것이다. 이들 입자들을 게이지 입자라고 하며, 대칭성을 만족하기 위해 필연적으로 필요하며, 실험적으로 존재함이 밝혀졌다.

그러나 게이지이론에서 말하는 입자들은 질량이 없다. 따라서 현대 입자물리학에서는 힉스 메커니즘이라는 가설을 도입하여, 입자에 질량을 부여하는 과정을 설명한다. 힉스 입자는 이 과정에서 그 존재가 밝혀진 입자이다. 표준 모형에 의하면 힉스 입자는 우주의 모든 공간에 가득 차 있으며 소립자의 질량을 만들어 낸다. 우주 공간에 가득차 있는 힉스 입자는 소립자와 충돌하여 소립자 움직임에 방해가 되고 그 방해되는 정도를 두고 소립자의 질량으로 파악한다. 빛의 소립자인 광자는 힉스 입자와 충돌하지 않기 때문에 움직임에 방해를 받지 않고 자연계 최고의 속도를 가진다. 그래서 광자는 질량이 전혀없는 ‘0(제로)’이다. 즉 물리학에서는 질량을 측정할 때 움직이는 정도를 척도로 파악하는데 소립자의 움직임에 따라 질량을 파악하는 것이다. 

현대 물리학에서는 빅뱅으로 우주가 탄생하였을 때는 고온으로 인해 모든 소립자의 질량이 0(제로)였으며 이후 힉스 입자의 등장으로 광자를 제외한 나머지 소립자들이 질량을 가지면서 소립자들이 모여 원자의 구조를 가지게 되었다고 추측한다. 그로 인해 현재의 우주와 자연계 모습이 탄생한 기원이라고 설명한다. 그동안 힉스 입자의 존재는 이론적인 상태로만 머물러 있었는데 2012년 실험에서 힉스 입자의 존재가 밝혀졌다. 힉스 입자는 스핀이 없고, 전기적 특성이나 색전하(color charge)를 갖지 않는 불안정 입자로서 빠른 속도로 붕괴하거나 다른 입자로 변형되기 때문에 힉스 입자를 직접적으로 관찰하기는 불가능하다.

힉스 입자는 영국출신의 이론물리학자 힉스(Peter Ware Higgs, 1929.3.29~)의 이름을 따라 명명되었으며, 그 존재가 질량의 근원과 우주 생성의 비밀을 밝혀낼 단서가 된다는 점에서 ‘신의 입자(god particle)’라고도 불린다. 자연 속에서 관찰되지 않기 때문에 거대한 입자 가속기로 입자를 충돌시켜 힉스 입자의 존재를 밝히는 실험이 진행되었는데, 실험의 원리는 힉스 입자가 붕괴하면서 발생하는 입자를 관측하여 힉스 입자의 존재를 증명하는 것이다. 스위스 제네바에 위치한 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 ‘대형 강입자 충돌형 가속기(Large Hadron Collider : LHC)’가 대표적이다.  

[네이버 지식백과] 힉스입자 [Higgs boson] (두산백과)