질량을 부여하는 소입자 '힉스 입자'의 붕괴에서 전하를 가지는 '뮤온'의 생성을 최초로 관측

힉스 입자는 생성 후 즉시 붕괴를 시작한다

힉스 입자의 존재가 알려지기 이전에는 질량이란 물질의 '내부'에 존재하는 물리량이며 물질과는 불가분이라고 생각되어 왔습니다.

그러나 소립자 물리학의 발전으로 질량은 물질의 내부가 아니라 물질에 힉스 입자가 달라붙는 외부적으로 생기는 현상인 사실을 알게 되었습니다.

소립자에 대한 힉스 입자의 정착은 힉스 메커니즘라고 불리며 2012년에 힉스 입자가 발견되고 나서 현재에 이르기까지 소립자 물리학에서 가장 주목받는 입자가 되었습니다.

하지만 힉스 입자의 발견만으로는 힉스 메커니즘을 증명할 수 없습니다. 힉스 메커니즘을 증명하기 위해서는 수많은 소립자의 질량이 힉스 입자의 정착으로 어떻게 발생하고 있는지를 하나씩 관찰을 통해 확인해 나가야 합니다.

Standard Model of Elementary Particles with Higgs link:https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_of_Elementary_Particles_with_Higgs_it.svg

힉스 메커니즘의 증명은 무거운 소립자에 한정되어 있었다

지금까지의 연구로 3세대의 무거운 소립자로 알려진 타우, 보톰, 탑 및 힘을 전달하는 소립자인 W, Z가 힉스 입자와 상호작용하여 질량을 얻는 것으로 알려져 있습니다.

이들 소립자가 힉스 입자와의 관계를 증명할 수 있었던 이유는 다른 소립자에 비해 큰 질량을 가지고 있어 힉스 입자와 강하게 연결되어 있었기 때문입니다.

나머지 소립자에 대해서도 마찬가지로 힉스 입자와의 상호작용을 증명할 수 있으면 힉스 메커니즘를 완전 증명하는 것이 가능해집니다.

그러나 무거운 입자와 비교적 쉽게 밝혀진 힉스 입자와의 상호작용도 가벼운 2세대 소립자에서는 잘 작동하지 않았습니다.

하지만 이번 CERN 연구자들에 의해 2세대 뮤온이 힉스 입자와 상호작용하는 모습이 관측되었습니다. 이번 관측으로 더욱 가벼운 소립자에도 힉스 메커니즘를 적용할 수 있다는 가능성이 시사되었습니다.

Credit : CERN

힉스 입자가 붕괴하면서 뮤온이 관측되었다

관측의 열쇠는 힉스 입자의 붕괴현상입니다.
힉스 입자는 생성 직후에 붕괴를 시작해 다른 소입자로 변화해 버립니다. 이때 힉스 입자의 붕괴속도를 측정함으로써 힉스장과 소립자의 상호작용하는 강도를 측정할 수 있습니다.

또 이 측정치의 역산에서 붕괴로 인해 우려되는 소립자와 힉스장이 주는 질량의 관계도 도출할 수 있습니다. 그러나 지금까지 힉스 입자가 무거운 보톰이나 W, Z로 붕괴해 가는 모습은 파악했지만 가벼운 뮤온으로 붕괴하는 모습은 확인할 수 없었습니다.

힉스 입자가 뮤온으로 붕괴되는 것은 이론상 매우 드물고(5000개에 1개 정도) 실험장치 내부에서 일어나는 다른 소립자의 붕괴에 의해서도 뮤온은 생성되기 때문에 특정 뮤온이 힉스 입자의 붕괴에 의해 생겼는지에 대한 판단이 어렵습니다.

그러나 CERN의 연구자들은 장치를 개량하여 뮤온에 대한 검출능력을 향상시켰고 기계학습도 이용함으로써 힉스 입자의 붕괴가 뮤온을 생성한다는 사실을 밝혀냈습니다.

CERN에서는 힉스 메커니즘의 증명도 이루어지고 있다

이번 결과는 힉스 입자의 붕괴로 2세대 소립자인 뮤온이 태어난다는 사실을 보여준 최초의 사례입니다. 지금까지의 힉스 메커니즘의 증명은 무거운 소립자를 중심으로 이루어져 왔지만 비교적 가벼운 뮤온의 질량도 힉스 입자에 의해 주어질 가능성이 커졌습니다.

또 연구가 진행되고 있는 무거운 제3세대의 소립자(톱)에서는 소입자가 힉스 입자와 쌍이 되어 생성되는 모습도 파악되고 있다고 합니다. 이것은 실험장치 내부에서 소입자가 생성되는 동시에 힉스 입자가 발생하여 소입자에 즉시 질량을 주고 있다는 것을 의미합니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 質量を与える素粒子「ヒッグス粒子」の崩壊により、電荷を持つ「ミューオン」の生成を初観測！
https://nazology.net/archives/66083