힉스 보손

힉스 보손
구성	기본입자
통계	보손
상호작용	약력
기호	H0
반입자	자기 자신
이론	로버트 브라우트, 프랑수아 앙글레르, 피터 힉스, 제럴드 구럴닉, 칼 하겐, 톰 키블
발견	2012년 7월 31일(추정)
질량	125.9(4) GeV/c2(5.9시그마)
평균수명	1.56×10−22 s (표준 모형 예측)
붕괴 입자	W+W−, ZZ, γγ, bb, τ+&tau−
전하	0
스핀	0

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

역사

이론적 예측

1964년에 피터 힉스는 입자에 질량이 부여되는 과정에 대한 가설인 힉스 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, 쿼크나 전자와 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 표준 모형이 완전히 붕괴되는 것은 아니다. "힉스를 제외한 모형"도 제안된 적이 있다.

발견

힉스 보손은 다른 입자에 비해 질량이 매우 크고 붕괴되는 시간이 짧기 때문에 대형 입자가속기에서만 관찰이 가능하다. 2012년 7월 4일, 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기의 ATLAS와 CMS로 실시된 연구에서, 2012년 7월 4일 오전 3시(현지 시간)에 4.9σ의 신뢰도로 힉스 보손과 유사한 입자를 발견하였다고 발표하였다.^[6] 그리고 2013년 3월 14일, CERN에서 힉스 보손의 발견을 공식으로 밝히면서 힉스 보손은 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

힉스 보손은 표준 모형의 유일한 스칼라 보손이다. 자발 대칭 깨짐을 통해 진공 기댓값을 갖게 돼, 유카와 상호작용에 의해 페르미온에 질량을 준다. 이 과정은 힉스 메커니즘 (혹은 힉스-앤더슨 메커니즘)이라고 부른다. 힉스 메커니즘 이외에 복합 힉스 입자나 테크니컬러 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

표준 모형의 힉스 보손은 스핀이나 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)

H^{0}\to \tau ^{+}\tau ^{-}

(타우 입자와 타우 반입자, 불확실)

각주

내용주

↑ 유럽입자물리연구소의 발표
↑ 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 에너지와 운동량은 E = pc 에 의한다. 이 때, p는 운동량의 크기이다. 반면, 질량이 있는 입자는 다음과 같은 방정식에 따라 에너지를 갖는다. $E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}.$ m은 질량이다.

출처주

↑ ^가 ^나 ^다 ^라 Particle Data Group. “Higgs Bosons — H⁰ and H^±”. 《2014 Review of Particle Physics》. ^{[깨진 링크(과거 내용 찾기)]}
↑ Particle Data Group. “H⁰ decay width”. 《2014 Review of Particle Physics》. ^{[깨진 링크(과거 내용 찾기)]}
↑ 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.
↑ Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mechanism
↑ 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."
↑ “보관된 사본”. 2012년 7월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 7월 4일에 확인함.
↑ “'신의 입자' 힉스 발견 공식 발표”. YTN. 2013년 3월 14일.
↑ CMS Collaboration (2012년 7월 31일). “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC”. 2012년 8월 15일에 확인함.
↑ ATLAS Collaboration (2012년 7월 31일). “Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC”. 2012년 8월 15일에 확인함.

외부 링크

위키미디어 공용에 힉스 보손 관련 미디어 분류가 있습니다.
“힉스 입자”. 《네이버캐스트》.
“유리컵 속의 히든카드”. 《네이버캐스트》.
박성찬 - 힉스 입자 발견은 인류에게 어떤 의미인가. 오거서 성균관대학교 학술정보관. 2017년 3월 21일.

[1] 유럽입자물리연구소의 발표

[4] 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 에너지와 운동량은 E = pc 에 의한다. 이 때, p는 운동량의 크기이다. 반면, 질량이 있는 입자는 다음과 같은 방정식에 따라 에너지를 갖는다. $E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}.$ m은 질량이다.

[PDG-2] 가 ^나 ^다 ^라 Particle Data Group. “Higgs Bosons — H⁰ and H^±”. 《2014 Review of Particle Physics》. ^{[깨진 링크(과거 내용 찾기)]}

[3] Particle Data Group. “H⁰ decay width”. 《2014 Review of Particle Physics》. ^{[깨진 링크(과거 내용 찾기)]}

[5] 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.

[6] Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mechanism

[7] 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."

[higgs-discovered-press-8] “보관된 사본”. 2012년 7월 5일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 7월 4일에 확인함.

[9] “'신의 입자' 힉스 발견 공식 발표”. YTN. 2013년 3월 14일.

[cms-0731-10] CMS Collaboration (2012년 7월 31일). “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC”. 2012년 8월 15일에 확인함.

[atlas-0731-11] ATLAS Collaboration (2012년 7월 31일). “Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC”. 2012년 8월 15일에 확인함.

[주해 1]

[1]

[2]

[주해 2]

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[7]

[8]

[9]