힉스 입자: 신과 같지 않은 입자

힉스 보손 시뮬레이션

힉스 입자가 생성되는 입자 충돌 시뮬레이션. (이미지 크레디트: Lucas Taylor/CMS)



폴 서터 의 천체 물리학자입니다. 오하이오 주립 대학 그리고 수석 과학자 COSI 과학 센터 . Sutter는 또한 호스트입니다. 우주인에게 물어보세요 , 리얼스페이스 그리고 COSI 사이언스 나우 . 그는 이 기사를 demokratija.eu의 Expert Voices: Op-Ed & Insights에 기고했습니다.



완벽하게 정직합시다. 힉스 입자와 우주에서의 힉스 입자의 역할은 설명하기 가장 쉬운 것이 아닙니다. 힉스가 '신의 입자'라는 끔찍한 별명을 가지고 있고 종종 '우주의 질량을 책임지는 사람'이나 이와 유사한 것으로 묘사되는 것은 도움이 되지 않습니다.

힉스 입자는 실제로 현대 물리학의 중요한 부분이지만, 그것을 신의 지위로 높이는 것은 약간 과장된 것처럼 보이며 전체 '질량 만들기'는 이 입자의 가장 중요한 작업도 아닙니다. [ '신의 입자'란? -- Higgs Boson 설명(비디오) ]



아, 그리고 물리학자들은 입자에 대해 별로 신경 쓰지 않습니다.

걱정하지 마십시오. 잠시 후에 설명하겠습니다.

이름에 무엇이 있습니까?

먼저 입자의 이름에 대해 이야기하고 싶습니다. 그것은 완벽하게 받아들일 수 있는 이름을 가지고 있습니다: 힉스 입자. 물리학자 Leon Lederman은 90년대 초반에 'God Particle'이라는 별명을 만들어 이 주제에 대한 책 제목으로 사용했습니다. 나는 그가 그것이 단지 귀여운 이름이라고 생각했을 것이라고 확신합니다(특히 Lederman이 그의 출판사가 '하나님제길Particle'), 그러나 미디어는 그 이름에 열광했고 이제는 힉스의 실제 물리학을 과대 광고에서 분리하기가 어렵습니다.



입자의 실제 이름인 힉스 입자는 실제로 매우 유익합니다. 실제로, 그것은 입자의 중요성을 더욱 강조하는 두 사람을 언급합니다. 1960년대에 여러 동료들과 함께 입자를 처음 제안한 Peter Higgs와 입자 물리학 초기의 개척자였던 Satyendra Nath Bose입니다.

'보손'은 우주에 있는 두 종류의 입자 중 하나를 나타내는 용어이고 다른 하나는 '페르미온'(엔리코 페르미의 이름을 따서)이라고 합니다. 아주, 아주 느슨하게, 페르미온을 일상 세계의 빌딩 블록으로 생각할 수 있습니다. 전자, 쿼크, 양성자, 중성미자 및 그 모든 친구들을 생각해 보십시오. 한편, 보손은 광자, 글루온 등 이들 사이의 힘입니다.

이름에서 힌트를 얻을 수 있습니다. 이 입자는 '보손(boson)'이라고 하기 때문에 힘과 관련이 있을 것입니다.

꿈의 들판



그러나 현대 입자 물리학은 입자 자체에 관한 것이 아니며 힉스 입자에도 해당됩니다. 아니요, 우주의 규칙에 대한 현대적 관점에서 볼 때, 일차적인 물리적 대상은 필드입니다 , 시공간을 초월하는 존재. 이 필드는 시공간의 다른 지점에서 다른 값을 취할 수 있으며, 각 값은 관찰자가 해당 패치에서 보는 평균 입자 수에 해당합니다. 이 관점에서(그리고 실제로는) 단순히 필드에서 에너지를 추가하거나 제거함으로써 입자를 마음대로 만들고 파괴할 수 있습니다.

즉, 필드를 때리고 입자를 만들 수 있습니다. 단일 입자는 필드가 지원할 수 있는 최소한의 가능한 에너지입니다. 전자에서 광자에 이르기까지 과학자들이 알고 있는 모든 종류의 입자는 고유한 시공간을 채우는 진동장과 관련이 있습니다.

힉스 입자를 찾는 것이 입자 자체에 관한 것이 아니기 때문에 나는 이 구분을 명확히 하기 위해 몇 단락을 보내고 있습니다. 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 기계가 힉스 장을 연구하려고 시도하고 있지만 그렇게 하는 유일한 방법은 힉스 입자(즉, 현장에서 약간의 찰싹 때리기)를 만들고 작동 방식을 확인하는 것입니다.

작업에 대해 말하자면: 우주에서 흥미로운 일을 하고 있는 것은 힉스 입자가 아니라 힉스 장입니다.

부서진 우주

힉스 입자가 우주에서 하는 '흥미로운 것'은 현대 물리학의 근본적인 문제와 관련이 있다. 물리학자들은 자연의 네 가지 힘(전자기, 강한 핵, 약한 핵, 중력)을 관찰합니다. 광자는 전자기력을 운반하는 반면 W+, W- 및 Z 보존은 약한 핵력을 운반하고 글루온 세트는 강한 핵력을 운반합니다. 그리고 중력은 ... 음, 아마도 다른 날의 주제일 것입니다. [ 가장 큰 미스터리: 중력의 원인은 무엇입니까? ]

이 네 가지 자연의 힘은 이미 눈치채셨겠지만 서로 근본적으로 다릅니다. 그것은 페르미온 계열과 전혀 다릅니다. 그 영역에서, 전하의 단순한 변화나 질량의 다른 측정은 당신에게 새로운 종류의 입자를 얻을 것입니다. 보손의 세계에서 전자기력은 약한 핵력과 질량, 범위, 상호작용 면에서 완전히 다르며, 각각의 힘 운반체는 서로 관련이 있는 것은 고사하고 말이 통하지도 않습니다.

하지만 왜? 정말 왜? 자연의 힘은 왜 이렇게 다를까요?

이 당혹스러운 미스터리에 대한 한 가지 단서는 입자 충돌기의 비즈니스 측면과 같이 충분히 높은 에너지 밀도에서 자연의 세 가지 힘만 있다는 것입니다. 당신은 그것을 올바르게 읽었습니다. 4가 아니라 3! 강한 핵, 중력, 그리고 전자기력과 약한 핵의 이상한 하이브리드가 있습니다. 적절하게는 전기약력이라고 합니다.

이것 높은 에너지에서만 나타나며 질량이 없는 입자의 4중주가 이를 운반합니다. 수학적으로, 이러한 입자와 관련 힘은 고도로 대칭적인 상태에 있습니다. 그러나 낮은(정상적인, 일상적인) 에너지에서, 그 통일된 대칭적인 힘은 어색하게 분할되지만 여전히 함께 살아야 하는 전자기력(여전히 질량이 없는 광자에 의해 운반됨)과 약한 핵이 되기 위해 분해됩니다. 힘(훨씬 더 무거운 3개의 입자에 의해 전달됨).

그리고 분할의 원인은 좋은 힉스(Higgs)입니다(이 기사의 초점이기 때문에 추측했을 수 있음).

분할 만들기

그 고에너지 대칭 상태에서 전기약력의 질량 없는 운반이 4개 있을 뿐만 아니라 힉스 장이 4개 있습니다. 정확히 4개가 있는 이유는 조작된 매칭 게임이 없기 때문이 아닙니다. 전기약자 통합으로 이어지는 동일한 깊은 대칭은 또한 4개의 힉스 장을 구성하는 수학적 기계를 제공합니다. 다시 말해서, 고에너지에서 힉스 장의 존재를 제안하려는 경우 4개를 구성하는 것 외에는 선택의 여지가 없습니다. 그것은 우리 우주의 근본적인 대칭에 구워져 있습니다.

나는 아직 이 4개의 고에너지 힉스 장을 '히글렛'이라고 명명하는 사람을 본 적이 없으므로 그냥 넘어가겠습니다.

고온에서 전기약력의 4개 운반은 제 역할을 하고(전기약력 운반) 4개의 히글렛은 제 역할을 합니다(별로 많지 않음). 그러나 저온에서는 히글렛이 방해를 받습니다. 그들 중 3개는 (더 나은 용어가 없기 때문에) '접착제'를 약전기 캐리어 중 3개에 붙입니다. 이 하이브리드 생물은 거대해지고 물리학자들은 W, Z+ 및 Z-보존으로 알고 있습니다. 그리고 짜잔, 약한 힘이 탄생합니다.

그러나 네 번째 higglet은 비대칭 상태에서 '고정'됩니다(더 나은 용어가 없기 때문에). 나머지 전기약자 캐리어와 일치하지 않도록 방지합니다. 그러면 그 운반체는 질량이 없는 상태로 남게 됩니다. 그리고 아하, 이제 친숙한 전자기력을 운반하는 광자를 얻습니다. [ 비디오: Higgs Boson이 중요한 이유는 무엇입니까? ]

네 번째 '고착된' 히글렛은 완전히 홀로 남겨져 있으며, 그 입자는 과학자들이 힉스 입자를 찾고 있다고 말할 때 의미하는 것입니다. 그 입자를 찾고 관련 필드에 대해 학습함으로써 연구자들은 매우 간단하면서도 놀라운 것, 즉 약한 핵력이 전자기력과 근본적으로 다른 이유를 더 잘 이해할 수 있습니다.

그러나 힉스 입자와 질량 사이의 관계는 어떻습니까? 실제로 관계가 있지만 아마도 당신이 생각하는 관계는 아닐 것입니다. 그리고 그 이야기는 다른 기사를 기다려야 합니다.

에피소드를 듣고 자세히 알아보기 '힉스 입자는 왜 중요한가? (1 부)' Ask a Spaceman 팟캐스트에서 아이튠즈 그리고 웹에서 http://www.askaspaceman.com . 이 작품으로 이어진 질문에 대해 Jamie R., James S., @croftandi, Peter S., Lorraine C.에게 감사드립니다! #AskASpaceman을 사용하거나 Paul을 팔로우하여 Twitter에서 자신만의 질문을 하세요. @PaulMattSutter 그리고 facebook.com/PaulMattSutter .

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