# 이 세상은 원자로 이루어졌다. 원자는 전자와 원자핵으로 이루어져 있다. 전자와 원자핵은 쿼크와 경입자, 광자와 w, z 입자 그리고, 접착자와 힉스입자로 이루어져 있다. 이중에 힉스 입자가 가장 나중에 밝혀졌다.
- 탈레스의 오랜 질문에 19~20세기의 과학자들이 제시하는 1차적인 답은 바로 원자이다. 원자는 이 세상 만물을 구성하는 기본 단위 중 하나이다.
- 원자 안에는 음의 전기를 가진 전자와 양의 전기를 가진 원자핵이 있다.
- 원자 질량의 대부분을 차지하는 원자핵은 다시 양의 전기를 가진 양성자와 전기를 띠지 않는 중성자로 구성돼 있다. 양성자나 중성자는 통칭해서 핵자라 부른다.
- 이후 쿼크가 실험적으로 검증되면서 쿼크는 현재까지도 만물을 구성하는 가장 기본적인 단위로 자리매김하고 있다. 쿼크에는 u(up), d(down), c(charm), s(strange), t(top), b(bottom) 등 총 6종류가 있다.
- 한편 전자에게도 자신과 비슷한 형제 입자들이 있음이 밝혀졌다. 뮤온(muon)과 타우온(tauon)이 그들이다.
- 한편 이들 ‘전자 3형제’에게는 각각의 짝이 있다. 이들 짝은 모두 전기적으로 중성이며 질량이 굉장히 작은 입자들로, 중성미자(neutrino)라 불린다.
- ‘전자 3형제’와 이들의 짝인 3종의 중성미자를 합쳐 경입자(lepton)라 부른다.
- 그러니까, 이 우주는 기본적으로 쿼크와 경입자로 구성돼 있다. 쿼크와 경입자는 물질을 직접 구성하는 입자들이다.
- 이밖에도 입자들 사이의 힘을 매개하는 입자가 있다. 빛, 즉 광자(photon)가 대표적인 사례로서, 빛은 전자기력을 매개한다.
- 약한 상호작용은 원자핵의 붕괴에서처럼 입자의 종류를 바꿀 수 있는 힘이고 강한 상호작용은 쿼크들을 묶어 핵자를 형성하게 하는 힘이다.
- 게이지 대칭성이란 우리가 이들 입자를 기술하는 장(field)에 어떤 특정한 변화(‘게이지 변환’)를 주더라도 전체 이론이나 법칙에는 변화가 없는 성질이다.
- 다만 어떤 이론이 게이지 대칭성을 유지하려면 게이지 입자라는 새로운 요소를 도입해야만 한다. 빛은 대표적인 게이지 입자이다.
- 문제는 게이지 대칭성이 입자들의 질량을 허용하지 않는다는 점이다. 쿼크든 경입자든 다른 게이지 입자든 질량을 가지지 않는다면 실험적 결과와 맞지 않으므로 현실적인 이론이 될 수가 없다.
- 1964년 35세의 피터 힉스는 두 편의 논문을 통해 대칭성이 깨지면서 어떻게 게이지 입자가 질량을 가질 수 있는지를 보였다. 이 과정에서 힉스는 훗날 자신의 이름이 붙은 새로운 장, 즉 힉스장(Higgs field)을 도입했다.
- 그중에서도 힉스만이 힉스 메커니즘의 결과로 새로운 입자가 존재할 것임을 명시적으로 적시했다. 이 입자에는 힉스 입자(Higgs particle)라는 이름이 붙었다.
- 와인버그는 힉스 메커니즘을 적용해 새로운 게이지 입자들 중 하나는 질량이 없는 전통적인 광자로서 전자기력을 매개하고 나머지 게이지 입자들은 상당히 무거운 질량을 가지면서 약한 상호작용을 매개할 것임을 보였다. 이들 새로운 입자가 W와 Z입자이다.
- 표준모형은 말하자면 “세상은 무엇으로 만들어졌을까?”라는 질문에 대한 20세기 인류의 모범답안이다. 여기에는 6종의 쿼크와 6종의 경입자, 그리고 전자기력을 매개하는 광자와 약력을 매개하는 W 및 Z 입자, 그리고 자세히 소개하지는 않았지만 강력을 매개하는 접착자가 있다. 그리고 이들 입자에 적절하게 질량을 부여하는 힉스 메커니즘과 관련된 입자인 힉스 입자가 있다.
- 마침내 2012년 유럽원자핵연구소의 거대한 입자가속기인 대형강입자충돌기(LHC)에서 힉스 입자가 발견되었다. 힉스가 그 존재를 예견한 지 거의 반세기 만의 일이었다. 힉스 입자의 발견은 실험적으로 표준모형을 완성했다는 점에서 과학적으로 큰 의의가 있다.
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https://www.khan.co.kr/science/science-general/article/202404292000005
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