질량 기원의 이해 '힉스입자'

by 8926 / https://pixabay.com/ja/illustrations/%E3%83%86%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%83%81%E3%83%A3-%E8%A6%81%E7%B4%84-%E6%A7%8B%E9%80%A0-1909992/

2013년의 노벨 물리학상은 '질량의 기원의 이해로 이어지는 메커니즘의 발견'이라는 이유로 프랑수아 앙글레르와 피터 힉스가 수상했다. 일반적으로는 힉스입자의 존재를 예언한 두 사람이라고 알려져 있다.

힉스입자는 우리 우주가 갓 태어났을 때 일어난 큰 진화("상전이"라고 함)의 직접적인 증거가 될 것이다. 우주의 탄생 직후에 빛의 속도로 날아다니고 있던 모든 종류의 입자가 이 상전이가 일어난 것을 경계로 천천히 감속할 수 있게 되어 소립자가 질량을 가지게 되었다. 이 힉스 메커니즘이라는 질량 획득의 원리 덕분에 우리의 우주에서는 원자와 분자가 구성되어 별과 은하가 생성되었고 지금 우리 인류가 존재하고 있다. 따라서 이 메커니즘은 우주 초기 단계에서의 변혁 중에서 가장 중요한 것 중 하나라고 할 수 있다.

이 원리를 프랑수아 앙글레르와 피터 힉스가 1964년에 고안했다. 약 50년 전이다. 그 당시 지금은 소립자 물리의 보편적인 이론체계가 되고 있는 '소립자의 표준모형'의 원안이 존재했지만 소립자의 질량의 설명이 잘 되지 않았서 이론으로서 완성할 수 없었다. 그것을 성공적으로 해결한 것이 그들이었다.

그들의 이론에서는 힉스입자와 관계가 깊은 '힉스장'이라는 것이 모든 소립자에 질량을 주는 원리를 설명하고 있다. 이 힉스장 하나로 물질을 형성하고 있는 물질 입자와 소입자의 힘을 매개하는 입자의 양쪽에 질량을 부여했다.

과연 자연이 그러한 교묘한 수단을 정말 우리의 우주에서 사용하고 있는지, 실제로 확인해 보기 위해 힉스입자를 인공적으로 만들어내려 시도했다. 힉스입자를 만들기 위해서는 지금까지의 입자가속기 실험을 넘어서는 영역에까지 에너지를 가할 필요가 있었다.

이러한 장대한 계획을 위해 만들어진 것이 스위스 제네바에 있는 CERN 연구소(유럽 원자핵 연구기구)에 건설된 LHC(대형 하드론 충돌형 가속기)이다. LHC는 양성자를 7테라 전자볼트(TeV)의 에너지까지 가속하고 양성자끼리를 정면 충돌시킴으로써 미지의 무거운 질량의 입자를 실험실 내에 만들어낸다. 이 충돌점에는 직경 25미터, 길이 44미터의 원기둥형의 거대 검출기 아틀라스가 설치되어 있어 마치 디지털카메라처럼 충돌 이벤트의 스냅샷을 포착한다. 그 성능은 디지털카메라로 비유하면 1.6억 화소, 셔터 스피드는 4천만회⁄초이다. 이 실험은 2010년과 2012년 사이에 데이터를 계속 생성했다.

3년간 데이터를 더해 보면 힉스입자 없이는 설명할 수 없는 관측사건의 초과가 몇 개의 병행한 측정으로 동시에 확인되었다. 또한 병행 측정으로부터 얻어진 힉스입자의 각 질량 측정치는 서로 통계의 범위에서 일치하고 있었다. 또한 LHC의 다른 충돌점에서 독립적인 측정을 하고 있는 CMS라는 검출기에 의한 실험도 비슷한 초과를 발표했다. 그래서 통계적으로 충분한 유의성을 확인할 수 있었서 2012년 7월에 신입자의 발견을 선언했다.

그 후 보다 상세한 연구를 진행한 결과 이 힉스입자다운 신입자는 힉스입자가 가지는 여러 성질을 가지고 있는 것이 확인되었기 때문에 2013년의 봄에는 힉스입자라고 단정하게 되었다.

힉스입자가 발견된 지금, LHC의 다음 과제는 새로운 입자의 발견으로, 소립자의 표준모형은 아무래도 LHC가 만드는 에너지 영역에서 빈틈이 보이기 시작할 것으로 생각되고 있다. 그 때 우리는 몇 가지, 때로는 많은 새로운 입자를 발견할 것으로 예상된다. 또 이번에 발견된 힉스입자는 새로운 물리에 깊이 관련되어 있다고 생각되고 있어서 힉스입자를 지금까지의 목적에서 탐색의 도구로 바꾸어 표준모형의 불완전을 밝혀 내는 방법도 제안되고 있다.

그 다음 발견을 위해 현재의 가속기·검출기는 한계가 있기 때문에 근본으로부터 업그레이드 할 필요가 있다. 몇 번의 업그레이드를 계속하면서 앞으로도 LHC는 측정을 2030년경까지 계속할 예정이다. 최초 업그레이드를 실시하고 있으며 2015년 이후는 LHC의 설계 에너지인 14TeV의 충돌을 예정하고 있다(2012년까지는 약 절반인 8TeV로 운전하고 있었다).

출처 참조 번역
- Wikipedia
- ヒッグス粒子
https://www.titech.ac.jp/public-relations/research/stories/higgs-particle