매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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힉스 입자 (Higgs Boson)
힉스입자는 가장 마지막에 발견된 기본입자입니다. 스핀이 0이어서 보손에 들어가지만, 기존 보손과는 하는 역할이 다릅니다 기존 보손은 스핀이 1이고 힘을 전달하는 역할을 했는데, 힉스 입자, 정확히는 힉스 보손은 입자에 질량을 부여하는 역할을 합니다.
질량을 부여한다는 것은 힉스 보손이 우주에 가득찬 상태에서 입자들이 움직일 때 저항의 역할을 한다는 것과 같습니다. 마치 물속을 걸을 때 저항감을 느끼는 것처럼 입자들도 질량이 없는데, 힉스 보손이 꽉 찬 공간을 움직이면서 저항감을 느끼는 것입니다. 입자에서는 이것을 질량이 생겼다라고 봅니다.
질량이 입자로부터 직접적으로 측정되는 것이 아니라고 보는거죠. 이것은 우리가 물질의 색을 보는 것과도 비슷합니다. 색이라는 것은 광자가 물질에 부딪치고, 물질의 구조에 따라 광자가 튕겨 나온 특정 파장의 빛을 보는 것입니다. 그것을 우리는 그 물질의 색이라 생각하죠. 질량도 입자가 힉스 보손과 상호 작용하여 나타난 결과를 가지고 질량이 얼마다라고 생각하는 거죠.
특이한 점은 광자는 힉스 보손과 상호작용하지 않는다는 점입니다. 왜 일까요?
힉스 보손의 존재는 1960년대에 예측되었는데, 발견은 2013년이나 되어서야 가능했습니다. 그 원인은 입자 충돌을 얼마의 에너지로 해야 하는지 알수가 없었기 때문입니다. 지금은 발견되어 그 에너지가 알려져 있습니다만, 그 특별한 충돌 상태를 만들기 위한 조건을 찾아내는 것은 너무나도 어려운 일일 것입니다.
참고. http://dongascience.donga.com/news.php?idx=23659
더욱이, 힉스 보손은 생성 후 1조 분의 1초 후에 붕괴됩니다. 힉스 보손은 붕괴되면서 Z입자나 광자로 바뀝니다. (2018년에는 힉스 보손이 bottom 쿼크와 반 bottom 쿼크로 붕괴되는 것이 관찰되었습니다)
이 실험을 하기 위해서는 CERN의 Large Hadron Collider (LHC)가 사용됩니다. hadron은 이전글에서 살펴봤듯이 양성자나 중성자와 같은 바리온(중입자)과 메손을 합쳐서 부르는 말입니다. LHC는 양성자를 충돌시키는데, 양성자는 쿼크들로 구성되어 있고, 이를 글루온이 엮고 있습니다. 그래서 충돌하게 되면 매우 복잡한 상태가 됩니다.
그럼 충돌 후 어떤 것들이 생기는지 어떻게 알아낼까요? 바로 운동에너지와 질량을 이용하는 것입니다. 충돌 전 운동에너지와 충돌 후 운동에너지는 같아야 하기 때문에, 이 관계를 이용하면 충돌 후 발생한 입자들의 질량을 계산할 수 있습니다. 기본 입자의 질량은 모두 밝혀 진 상태이고, 하드론(강입자)의 질량도 모두 밝혀져 있기 때문에 새로 생성된 입자의 질량만 알면 기존 입자인지, 새로운 입자인지 알 수 있게 됩니다.
바닥이 꺼지지 않는 이유의 양자적 해석
왜 우리가 사는 세상은 붕괴하지 않는 것일까요?
우리는 바닥을 누르는데, 바닥은 꺼지지 않습니다. 즉 원자위에 올라타서 큰 질량으로 원자를 누르고 있는 상황인데, 원자는 찌그러지지 않고 있는 것이죠. 그 이유를 표준 양자 모델로 해석하면 이렇습니다.
사람이 바닥에 서서 원자를 누르는 것은 원자를 압축하고 있는 것입니다. 이 때 원자핵 주변의 전자도 같이 압축됩니다. 이 말은 전자의 움직임이 고정된다는 것입니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의하면 전자의 위치가 고정되면, 운동량은 증가하게 됩니다. (사실 알 수 없다고 합니다. 위치와 운동량 중 한 개의 값을 정확히 안다면 다른 값은 알 수가 없고 불확정성이 커집니다.)
불확정성 원리에 따라 전자의 위치와 운동량의 곱은 항상 어떤 값보다 커야 합니다.
예를 들어, 전자의 위치와 운동량의 곱이 1이라고 하고, 위치 정확도가 0.01로 정해져 있다면, 운동량은 100까지 허락됩니다. 한쪽을 정밀하게 측정하면 다른쪽은 불확정되어 변동이 커지는 것입니다.
운동량이 커진다는 것의 의미는 위치가 고정되지 않고 움직인다는 것입니다. 즉 운동량이 불확정되어 원자의 압축은 일어나지 않습니다. 처음 가정에 원자가 압축된다고 가정하고 이야기를 풀어서 왠지 모순 처럼 들립니다. 이것을 저항의 개념을 생각하면 이해가 됩니다. 원자가 압축되기 시작하면, 불확정성 원리에 의해 운동량이 증가하게 되고 압축되지 않도록 저항합니다. 결과적으로 바닥 위에 서도 바닥이 꺼지지 않게 됩니다.
개인적으로 양자적 해석이 별로 맘에 들진 않습니다. 좀 더 근사한 해석이 나오면 좋겠네요.
불확정성 원리의 의미
불확정성 원리는 우리가 어떤 한계로 인해서 전자의 위치와 운동량을 동시에 측정할 수 없다고 얘기하는 것이 아닙니다. 한계가 있는 것이 아니라 전자의 특성이 불확정하다는 의미입니다! 전자가 어딘가 있지만, 우리가 알 수 없는 게 아니라 전자의 위치는 정해지지 않았습니다. 우리가 관측하려고 할 때 비로소 상호작용을 통해서 전자구름에서 위치가 수렴되는 것입니다. 한마디로 관측되기 전까지는 실체가 없습니다!
말이 안되는 설명입니다만, 안타깝게도 이게 현재 주류 해석입니다.
참고
소립자 물리학은 다음 책을 참고하였습니다.
