힉스 보손

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
(히그스 보손에서 넘어옴)
이동: 둘러보기, 검색
힉스 보손
통계 보손
반입자 자기 자신
이론 로버트 브라우트, 프랑수아 앙글레르, 피터 힉스, 제럴드 구럴닉, 칼 하겐, 톰 키블
발견 2012년 7월 31일(추정[주해 1])
기호 H0
질량 125.9(4) GeV/c2(5.9시그마)[1]
평균 수명 1.56×10−22 s (표준 모형 예측)[2]
전하 0
스핀 0

힉스 보손(영어: Higgs boson)은 입자물리학표준모형이 제시하는 기본입자 가운데 하나이다. 힉스 보손은 현대 물리학이 우주를 설명하는데 있어 중요한 역할을 담당하고 있어, 존재 여부를 확인하는 것에 따라 지금의 물리학에서 설명하는 우주론 자체가 얼마나 실제와 같은 지를 가늠할 수 있는 기준이 된다. 현재 알려진 기본 입자 가운데 유일한 스칼라 보손이다.

역사[편집]

이론적 예측[편집]

1964년에, 피터 힉스입자질량이 부여되는 과정에 대한 가설힉스 메커니즘을 발표하면서 힉스 보손의 존재를 가정하였다.[주해 2] 힉스는 1964년 피지컬 리뷰 레터에 실린 대칭 깨짐 논문들에 힉스 장과 힉스 보손으로 일어나는 힉스 메커니즘 가설을 다루는 논문을 실었다.[3] 힉스의 가설은 바닥 상태일 때 0 이 아닌 값을 갖는 아직 발견되지 않은 양자가 힉스 장 안에서 자극을 받아, 쿼크전자와 같은 다른 기본 입자에 질량을 부여한다는 이론이다.[4]

힉스 보손은 표준 모형을 수립하면서 널리 인정되었고, 실험을 통해 발견되지 않은 상태에서도 입자물리학 핵심 이론의 기반이 되었다.[5] 그러나, 힉스 보손이 존재하지 않는다고 가정하여도 표준모형이 완전히 붕괴되는 것은 아니다. 힉스를 제외한 모형도 제안된 적이 있다.

발견[편집]

힉스 보손은 다른 입자에 비해 질량이 매우 크고 짧은 시간에 붕괴되기 때문에 대형 입자가속기에서만 관찰이 가능하다. 2012년 7월 4일, 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기의 ATLAS와 CMS로 실시된 연구에서, 2012년 7월 4일 오전 3시(현지시간)에 4.9σ의 신뢰도로 힉스 보손과 유사한 입자를 발견하였다고 발표하였다.[6] 그리고 2013년 3월 14일, CERN에서 힉스 보손의 발견을 공식으로 밝히면서 입자는 실재하다는 것이 증명되었다.[7]

ATLAS와 CMS에서 발표한 힉스 보손의 질량은 다음과 같다.

  • 125.3±0.4(stat.)±0.5(sys.)GeV/c2 (신뢰도 5.8σ) (CMS)[8]
  • 126.0±0.4(stat.)±0.4(sys.)GeV/c2 (신뢰도 5.9σ) (ATLAS)[9]

이론[편집]

힉스 보손은 표준 모형의 유일한 스칼라 보손이다. 자발 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 입자테크니컬러 등의 대안이 있다.

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

성질[편집]

표준 모형힉스 보손스핀이나 전하가 없고 색전하도 없으며, 다른 페르미온 입자와 약한 상호작용이나 유카와 상호작용만을 겪는다.

현재 힉스 보손처럼 보이는 입자의 질량은 (2013년 여름 데이터로) 약 125.9±0.4 GeV/c2이다.[1] 이 입자의 수명은 매우 짧으며, 현재까지 다음과 같은 붕괴들이 관찰되었다.[1]

H^0\to WW^* (W보손)
H^0\to ZZ^* (Z보손)
H^0\to\gamma\gamma (광자)
H^0\to b\bar b (바닥 쿼크와 바닥 반쿼크, 불확실)
H^0\to\tau^+\tau^- (타우 입자와 타우 반입자, 불확실)

주해[편집]

  1. 유럽입자물리연구소의 발표
  2. 양성자, 중성자과 같은 결합된 입자들의 질량에서 단지 1%만이 힉스 메커니즘에 의한 것이다. 다른 99%는 강한 상호작용에 의해 바리온 안에서 일어나는 기본 입자들의 운동 에너지에 의해 발생한다. 그러나, 힉스 메커니즘이 없다면 쿼크에 질량이 없다는 것이 되어 쿼크가 실제 보이는 운동 형태와 맞지 않게 된다. 질량이 없는 입자는 빛의 속력 c 로 움직이고 에너지운동량E = pc 에 의한다. 이 때, p운동량의 크기이다. 반면, 질량이 있는 입자는 다음과 같은 방정식에 따라 에너지를 갖는다. E^{2}=p^{2} c^{2} + m^{2} c^{4}. m은 질량이다.

주석[편집]

  1. Particle Data Group. Higgs Bosons — H0 and H±. 《2014 Review of Particle Physics》.
  2. Particle Data Group. H0 decay width. 《2014 Review of Particle Physics》.
  3. P.W. Higgs (1964). "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons". Physical Review Letters 13 (16): 508–509. Bibcode 1964PhRvL..13..508H. DOI:10.1103/PhysRevLett.13.508.
  4. Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mechanism
  5. Griffiths, David (2008). "12.1 The Higgs Boson". Introduction to Elementary Particles (Second, Revised ed.). Wiley-VCH. p. 403. ISBN 978-3-527-40601-2. "The Higgs particle is the only element in the Standard Model for which there is as yet no compelling experimental evidence."
  6. [1]
  7. "'신의 입자' 힉스 발견 공식 발표", 《YTN》, 2013년 3월 14일 작성.
  8. CMS Collaboration (31 July 2012). Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC. 15 August 2012에 확인.
  9. ATLAS Collaboration (31 July 2012). Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC. 15 August 2012에 확인.

바깥 고리[편집]