[칠단 과학 채널]신의 입자 발견 여섯 가지 영향: 우주는 수십억 년 후에 파괴될 수도

베이징 시간 3월 22일 소식에 따르면, 해외 매체 보도에 의하면 물리학자들이 지난 주 목요일(3월 14일) 소위 '신의 입자', 즉 힉스 보존 존재의 확실한 증거를 발견했다고 발표했습니다. 과학자들은 오랫동안 이 신비로운 입자의 흔적을 찾아왔으며, 이 입자의 존재가 최종적으로 확인된다면 큰 영향을 미치게 될 것입니다.

이는 유럽 입자물리연구소의 대형 강입자 충돌기(LHC) ATLAS 탐지기가 획득한 데이터의 시뮬레이션 입자 경로도입니다. 힉스 보존은 두 개의 양성자가 14TeV라는 매우 높은 에너지 수준에서 충돌할 때 생성되며, 이후에는 4개의 뮤온으로 빠르게 붕괴되는데, 이는 탐지 장치에 흡수되지 않는 대질량 전자입니다.

표준 모형은 입자물리학의 기초 이론이지만, 이론에서 예측한 모든 입자는 이미 발견되었고, 유일하게 힉스 보존만은 소식이 없었습니다. 프랑스와 스위스 국경에 위치한 대형 강입자 충돌기(LHC) 장비를 이용해 과학자들은 양성자가 길이 27킬로미터의 원형 궤도 안에서 빛의 속도로 충돌하도록 하여 관련 실험을 수행했습니다. 물리학자들은 힉스 보존이 확인되면 적어도 다음의 여섯 가지 중요한 영향을 미칠 것이라고 밝혔습니다.

1. 질량 기원 미스터리의 해명
물체의 질량은 어떻게 생기는가? 이 문제는 물리학계에서 오랫동안 난제로 남아 있었으며, 힉스 보존은 우주에 존재하는 모든 물체의 질량 기원과 관련이 있는 것으로 간주됩니다. 힉스 보존은 일종의 장과 관련이 있으며, 그것이 바로 소위 힉스 장입니다. 이 장은 이론적으로 전체 우주에 퍼져 있는 것으로 생각됩니다. 우주의 다른 입자들이 이 장을 지날 때 질량 속성을 얻게 됩니다. 이는 마치 모두 수영장 안에서 수영을 하는데 몸이 젖는 것과 같으며, 여기서 몸이 젖는 것이 물체가 질량을 얻는 것과 유사합니다.

미국 하버드 대학교 물리학자 조아오 구이마라이스 다 코스타(Joao Guimaraes da Costa)는 "힉스 입자의 메커니즘을 통해 입자가 질량을 얻는 경로와 방식을 이해할 수 있습니다."라고 밝혔습니다. 구이마라이스 다 코스타는 지난해 유럽 입자물리연구소가 힉스 입자의 의심 발견을 발표할 때, 대형 강입자 충돌기(LHC) 산하 ATLAS 탐지기 장비의 표준 모형 책임자였습니다. 그는 "만약 이러한 메커니즘이 없다면 모든 것이 질량을 잃게 될 것"이라고 말했습니다.

이번 발견된 입자가 확실히 힉스 입자인 것이 확인되면, 우리가 입자가 질량 속성을 얻는 방식을 가정한 것이 옳다는 것이 증명될 것입니다.미국 캘리포니아 공과대학교 물리학 교수 마리아 스피로풀루(Maria Spiropulu)는 "이 발견은 양자 수준에서 질량의 기원에 대한 우리의 견해를 지지하며, 이것이 바로 우리가 대형 강입자 충돌기를 만들었던 이유입니다. 이는 비교할 수 없는 업적입니다."라고 말했다. 이후 이는 더 깊은 수준의 문제, 즉 왜 이러한 입자가 이러한 질량 값을 가지는지, 이 값이 어떻게 결정되는지에 대한 해결 단서를 제공할 것이다. 이에 대해 하버드대학교 물리학자 리사 랜달(Lisa Randall)은 "이는 훨씬 더 큰 문제입니다. 이것이 실제로 힉스 입자임을 확인하는 것은 전체 과정의 첫 단계일 뿐이며, 이후에야 우리는 더 나아갈 수 있는데, 이 둘은 서로 연결되어 있습니다."라고 말했다.

2. 표준 모형 완성
표준 모형은 현대 입자물리학의 기초로, 우주 전체의 모든 입자를 설명한다. 표준 모형이 예측한 모든 입자는 이전에 발견되었지만, 힉스 입자는 제외되었다. 지난해 초보적인 결과가 발표될 당시, 유럽 입자물리연구소 ATLAS 실험 장비 과학자 요나스 스트란드베리히(Jonas Strandberg)는 "이는 표준 모형에서 누락된 부분이므로, 이 발견이 최종적으로 확인된다면, 우리의 현재 이해가 옳았음을 결국 증명할 것입니다."라고 말한 바 있다.

현재까지 과학자들이 발견한 이 의심되는 힉스 입자는 표준 모형에서 예측된 성질과 일치하는 것으로 보인다. 그렇다 하더라도, 표준 모형 자체는 완전하지 않다. 예를 들어, 중력을 포함하지 않으며, 우주 전체 물질의 약 98%를 차지한다고 여겨지는 암흑물질을 고려하지 않았다.

미국 페르미 국립가속기연구소 CMS 센터 물리학자 패티 맥브라이드(Patty McBride)는 지난 목요일에 "현재 우리가 새로 발견한 이 입자가 실제로 표준 모형이 예측한 힉스 보손이라는 명확한 증거가 있다 하더라도, 우리는 여전히 우주에 대한 이해가 모호합니다."라고 말했다. 그는 "왜 중력이 이렇게 약한지 아직 이해하지 못하고 있으며, 거대한 암흑물질의 존재도 여전히 직면하고 있습니다. 하지만 48년의 역사를 가진 이 고전 이론에 대해 완성을 향한 첫 단계를 밟았다는 것은 여전히 기쁜 일입니다."라고 덧붙였다.

3. 전약 상호작용
히그스 입자의 확인은 전약 상호작용 구축에도 중요한 영향을 줄 것이다.이러한 작용은 전자기 작용과 약한 상호작용을 통합적으로 설명한 것으로, 이 두 가지 모두 자연계의 기본 힘 유형 중 하나입니다. 전자기 작용은 전하를 가진 입자들 간의 상호작용을 설명하며, 약한 상호작용은 방사성 붕괴 과정을 설명합니다.\ 자연계에서 모든 힘의 작용은 어떤 입자와 관련이 있습니다. 예를 들어, 전자기력과 관련된 입자는 광자이며, 이는 질량이 없는 특별한 입자입니다. 반면 약한 상호작용력은 W와 Z라는 보손과 관련이 있으며, 이 두 종류의 입자는 매우 큰 질량 값을 가지고 있습니다. 이러한 모든 입자의 질량의 원천은 힉스 보손의 작용에 의해 발생한다고 여겨집니다.\ 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 스란데버그는 "힉스장의 개념을 도입하면 W와 Z 보손은 이 장과 혼합되어 이 과정에서 질량을 얻는다."라고 말했습니다. 그는 "이는 왜 W와 Z 보손이 질량을 가지는지 설명하며, 전자기 작용과 약한 상호작용이라는 두 가지 기본 힘을 통합하여 전약 상호작용을 구성한다."라고 덧붙였습니다.\ 4. 초대칭 이론\ 초대칭 이론 또한 힉스 입자의 발견에 영향을 받을 것입니다. 이 이론에 따르면 알려진 모든 입자는 '슈퍼 파트너' 입자를 가지고 있으며, 이 파트너 입자는 약간 다른 성질을 가집니다. 초대칭 이론은 자연계의 다른 기본 작용력을 통합할 수 있고, 심지어 암흑 물질의 구성에 대한 수수께끼를 풀 수 있는 가능성이 있기 때문에 큰 매력을 가지고 있습니다. 그러나 지금까지 이 이론의 전망은 어둡습니다. 과학자들은 표준 모델이 예측한 힉스 입자와 매우 유사한 입자를 발견했을 뿐, 초대칭 입자와 관련된 어떤 단서도 발견하지 못했습니다.\ 5. 대형 강입자 충돌기\ 대형 강입자 충돌기(LHC)는 세계에서 가장 큰 입자 가속기입니다. 약 100억 달러의 비용이 투입된 이 장치는 유럽 입자 물리 연구소(CERN)에 속하며 지구상에서 가장 강력한 에너지를 가진 입자 가속기를 만들기 위한 목적을 가지고 있습니다. 이 장치에서 힉스 보손을 찾아내는 것이 최우선 목표 중 하나로 지정되었습니다. 이번에 발표된 최신 결과는 이전 LHC의 결과를 강하게 뒷받침하며, 이 목표를 달성하기 위해 여기서 헌신적으로 연구한 물리학자들이 거둔 풍성한 성과를 가장 잘 입증하는 증거입니다.\ 스피로프루는 지난해 한 성명에서 다음과 같이 밝혔다: “이 발견은 양자적 차원에서 우리 질량의 기원에 관한 견해를 뒷받침하며, 바로 이것이 우리가 대형 강입자 충돌기를 지은 목적입니다. 이는 비할 데 없는 업적입니다.” 그는 말했다: “과학자들은 바로 이 순간을 위해 한 세대에 걸쳐 기다려 왔습니다. 전 세계 대학과 연구기관의 입자물리학자, 엔지니어 및 기술자들은 오늘날의 이 업적을 이루기 위해 수십 년간의 헌신적인 노력을 기울였습니다. 이제 잠시 멈추어 이 발견의 의미를 되돌아보고, 그 후 방대한 데이터 수집과 분석 작업을 계속할 시간입니다.”\ 히그스 보손은 1964년 영국 물리학자 피터 히그스와 동료들에 의해 처음 제안되었다. 이 이름의 후반부는 뛰어난 고(故) 인도 물리학자이자 수학자인 보스(BOSE)를 기념하기 위함으로, 그는 아인슈타인과 함께 보손의 정의를 제시했다. 보손은 기본입자의 한 종류로, 주로 글루온과 중력자를 포함한다. 이는 쿼크, 전자, 중성미자 등 페르미온 간의 상호작용을 전달하는 역할을 한다. 페르미온은 우주의 또 다른 기본 입자 유형이다.\ 6. 우주의 운명\ 히그스 보손의 확인은 과학자들에게 이전에는 수행할 수 없었던 계산의 문을 열어줄 것이다. 이러한 계산 중 일부 결과는 우주의 운명과 관련이 있다. 한 가지 견해는 우주가 향후 수십억 년 내에 멸망할 것이라고 본다.\ 이러한 계산을 수행할 때, 히그스 보손 자체의 질량은 매우 중요한 매개변수이며, 이는 시공간의 미래 운명을 예고한다. 현재 측정값에 따르면, 히그스 보손의 질량은 양성자의 약 126배이며, 이 질량값은 거의 임계점에 도달해 있어 우주가 향후 수십억 년 안에 멸망할 가능성을 제시한다.\ 미국 페르미 국립가속기연구소(Fermilab)의 물리학자인 조셉 라이큰(Joseph Lykken)은 이렇게 말했다: “계산 결과는 수십억 년 후에 우주가 재앙을 맞을 수 있음을 우리에게 알려줍니다.” 그는 덧붙였다: “이는 우리가 살고 있는 이 우주 자체가 내재적 불안정성을 가질 수 있으며, 수십억 년 후 모든 것이 붕괴될 수 있다는 의미일지도 모릅니다.”