'신의 입자'로 불리는 '힉스 입자' 발견

신의 입자로 알려진 힉스 입자는 영국인 물리학자 피터 힉스가 1964년 이론화한 것이다. 137억 년 전 우주 탄생 당시 모든 물질에 질량을 부여한 뒤 사라진 입자를 힉스 입자라 한다. 물질은 원자로 이루어져 있고, 원자는 양성자와 중성자 같은 소립자들로 구성되어 있으며, 소립자는 쿼크와 같은 보다 기본적인 입자로 이루어져 있다. 쿼크는 물질의 형태를 만드는 현재까지 발견된 최고로 작은 입자이다.

 

현대의 이론 물리학에서는 우주의 물질 구성과 운동에 대해서 기본 입자와 네 가지 형태의 기본 상호 작용으로 설명하고 있다. 이를 표준 모형이라 한다. 신의 입자라고도 불리는 힉스 입자는 표준 모형을 구성하는 입자 중에서 유일하게 발견되지 않은 존재였다. 물질이 질량을 갖게 만드는 힉스 입자는 1964년 영국의 이론 물리학자 피터 힉스에 의해 제시되었다.

 

힉스 입자는 힉스 장을 형성하고, 힉스 장과 상호 작용하는 물체는 질량을 가지게 된다고 한다. 모든 물질에 질량을 부여하는 것이 힉스 장이고, 힉스 장을 매개하는 것이 힉스 입자로 보는 것이다.

 

힉스 입자의 존재를 확인하려면 입자가 4가지 기본적인 힘을 만들어내는 순간을 찾아내야 한다. 4가지 기본적인 힘은 전자기력과 글루온, 그리고 W보손과 Z보손이다.

 

전자기력은 사실상 질량이 없는 광양자에 의해 만들어진다. 

글루온은 강한 상호작용을 매개하는 기본 입자이고 강한 핵력으로 입자인 쿼크를 붙든다.

W보손과 Z보손은 약한 상호작용을 매개하는 기본입자로 약한 핵력을 전달하는 이 입자들은 상대적으로 무거워서, 광양자보다 100배 질량을 가진다.

 

힉스 장은 물질이 공간을 지나면 영향을 받는다는 점에서 중력장 같은 다른 장과 같은 성질을 보인다. 일부의 입자는 지나가면서 힉스 장의 영향을 받아 속도가 더 줄어든다. 입자의 속도가 늦어지면 입자에 질량을 전하기가 쉬워지게 된다고 한다. 그래서 광양자는 힉스 장의 영향을 받지 않아서 질량이 거의 없지만, W보손과 Z보손은 힉스 장에서 속도가 매우 느려서 상대적으로 훨씬 큰 질량을 갖게 된다. 이렇게 힉스 장은 힉스 입자에 의해 만들어지고, 힉스 입자의 존재를 확인하면 물질의 구성을 설명하는 표준 모형이 완성된다고 한다.

 

물질을 구성하는 표준 모형인 기본 입자 가운데 힉스 입자 만은 상당해 오랜 기간 발견되지 않았다. 그런데 2012년 7월 4일 힉스 입자와 유사한 입자를 발견하였다고 발표하였고, 2013년 3월 14일 유럽 입자 물리 연구소인 CERN에서 힉스 입자의 발견을 공식적으로 밝히면서 힉스 입자는 실재한다는 것이 증명되었다. 그리고 힉스 입자는 다른 입자에 비해 질량이 매우 크고 짧은 시간에 붕괴되기 때문에 대형 입자 가속기에서만 관찰이 가능하다고 한다.

 

이와 같이 입자들은 끊임없이 상호작용을 하고 있고 질량은 여기서 발생한 에너지로부터 만들어진 양으로 볼 수 있다. 힉스 장은 우주에 존재하는 입자들이 질량을 얻게 된 과정을 설명해 주면서 우주의 다른 신비를 밝혀 줄 과학의 발전에 새로운 한 걸음을 내딛게 해 주었다.