2012년 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)에서 힉스 보손(Higgs boson)의 발견은 우리 입자 물리학자들이 오랫동안 의심해 왔던 것, 즉 우주에 침투하여 기본 입자 질량을 생성하는 장이 있다는 것을 확인시켜 주었습니다. 불행하게도 물리학자들은 소위 힉스 장(Higgs field)이라고 불리는 이 강력한 임무가 어떻게 수행되는지 다른 모든 사람들에게 설명하는 것이 어렵다는 것을 알게 되었습니다.
일반적인 접근 방식은 큰 이야기를 하는 것이었습니다. 다음은 한 가지 버전입니다:
수프처럼 우주를 가득 채우는 물질이 있습니다. 그것이 힉스장이다. 입자가 통과하면서 수프의 속도가 느려지고 이것이 입자가 질량을 얻는 방식입니다.
다른 버전에서는 힉스 장을 당밀, 덤불, 많은 사람들 또는 넓은 눈과 유사한 것으로 묘사합니다.
그러나 그러한 모든 이야기는 우리 물리학자들이 대학 1학년 과정의 첫 주에 가르치는 내용과 충돌합니다. 힉스 장이 항력을 가하여 질량을 생성한다고 제안함으로써 뉴턴의 운동 제1법칙과 제2법칙을 모두 위반합니다. 다른 재난 중에서도 이 끌림은 오래 전에 지구가 태양 속으로 나선을 그리게 만들었을 것입니다. 더욱이 힉스 장이 실제로 물질이라면 갈릴레오와 아인슈타인의 상대성 원리를 모두 위반하면서 우리의 절대 운동을 측정할 수 있는 비교 지점을 제공할 것입니다.
사실 힉스 장은 움직임이나 속도 저하와는 아무런 관련이 없습니다. 대신 그 이야기는 진동에 관한 것입니다.
현대 입자 물리학의 강력한 틀인 양자장 이론은 우주가 장으로 가득 차 있다고 말합니다. 예로는 전자기장, 중력장, 힉스장 자체가 있습니다. 각 필드에는 해당 필드의 작은 파문으로 가장 잘 이해되는 해당 유형의 입자가 있습니다. 전자기장의 잔물결은 빛의 파동이고 가장 부드러운 잔물결은 우리가 광자라고 부르는 빛의 입자입니다. 마찬가지로 전자는 전자장에서 파문을 일으키고, 힉스 보손은 힉스 장에서 최소한의 파문을 일으킵니다.
기타 줄의 진동과 매우 유사한 정지 전자는 공진 주파수라고 알려진 선호 주파수로 진동하는 정재파입니다. 이러한 공명 진동은 흔하고 친숙합니다. 뽑아낸 기타줄은 공명 주파수로 지속적으로 울리기 때문에 항상 같은 톤을 냅니다. 마찬가지로 흔들리는 진자의 고정된 주파수가 이를 효과적인 시계로 만듭니다. 동일한 원리로 모든 정지 전자는 전자장의 공진 주파수에 따라 진동합니다.
우주의 대부분의 장에는 공명 주파수가 있습니다. 어떤 의미에서 우주는 대략 악기와 비슷합니다. 둘 다 가장 쉽게 진동하는 특징적인 주파수를 가지고 있습니다.
개인적으로 현실의 바탕에 공명이 있다는 사실은 기쁨과 놀라움의 원천입니다. 평생 아마추어 음악가이자 작곡가로서 저는 오랫동안 피아노, 클라리넷, 기타의 내부 작동을 이해해 왔습니다. 하지만 대학원생이었을 때 우주의 구조는 심지어 내 몸 내부에서도 유사한 원리로 작동한다는 사실을 알고 완전히 놀랐습니다.
그러나 우리 우주의 이 비밀스러운 음악성은 힉스 장이 아니었다면 불가능했을 것입니다.
양자장 이론에서 양자물리학과 아인슈타인의 상대성이론의 조합은 공진 주파수와 기본 입자의 질량 사이에 중요한 관계를 이끌어냅니다. 정지 입자가 더 빠르게 진동할수록 질량도 더 커집니다. 공명 주파수가 부족한 필드는 질량이 없는 입자에 해당합니다. 전자기장의 광자를 포함한 이러한 입자는 결코 정지해 있을 수 없습니다.
힉스 이야기에서는 당밀과 같은 물질에 의해 기본 입자가 느려지면서 질량이 발생한다고 제안하지만, 사실은 힉스 장이 더 강할수록 기본 입자가 더 높은 주파수에서 진동하여 질량이 증가한다는 것입니다. 따라서 힉스 장을 다른 장의 공진 주파수를 높이는 역할을 하는 일종의 우주 강화제로 볼 수 있습니다.
한 필드가 다른 필드의 빈도를 변경하는 것이 어떻게 가능합니까? 겸손한 추는 우리에게 간단한 예를 제공합니다.
중력장이 본질적으로 0인 깊은 우주의 줄 끝에 공을 놓는 것을 상상해 보십시오. 공은 목적 없이 떠다닐 것이다. 살짝 밀면 위치가 천천히 움직일 수 있지만 진동하지는 않습니다.
그러나 임시 진자를 0이 아닌 중력장에 놓으면 모든 것이 변합니다. 공은 똑바로 아래로 매달려 있고, 방해를 받으면 휘두를 것입니다.
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정지해 있을 때 공은 평형 상태에 있다고 합니다. 즉, 안정적이고 균형이 잡혀 있으며 움직일 이유가 없습니다. 공이 오른쪽으로 이동하면 중력으로 인해 공이 다시 왼쪽으로 스윙하게 되고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 공의 위치가 평형점으로 돌아가려는 경향, 즉 복원 효과가 공의 스윙을 유발합니다.
여기서 중력장은 강화제 역할을 합니다. 즉, 진자를 강화하여 0이 아닌 공진 주파수를 제공합니다. 중력장이 강할수록 복원 효과가 더욱 강력해지고 진자의 공진 주파수가 높아집니다.
마찬가지로, 힉스 장은 진동 방식을 변경하는 다른 기본 장에 복원 효과를 생성합니다. 모든 장에는 연못을 가로지르는 것과 같은 이동 잔물결이 있을 수 있지만 복원 효과로 인해 장에는 정지 잔물결, 즉 기타 줄의 잔물결과 유사한 정상파가 생길 수 있습니다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 정상파는 각자의 분야에서 잔물결을 일으키며 움직이지 않는 기본 입자 그 이상도 그 이하도 아닙니다.
이 개념은 힉스 장의 이름을 딴 고(故) 영국 물리학자 피터 힉스와 그의 경쟁자들이 1960년대에 지적한 것의 핵심입니다. 즉, 한 장이 다른 장을 경직시켜 그 잔물결이 공진 주파수로 제자리에서 진동하도록 허용하여 입자 질량을 제공할 수 있다는 것입니다. 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)의 힉스 보손(Higgs boson)에 대한 실험적 연구는 이것이 실제로 힉스 장이 하는 일임을 확인시켜 줍니다. 과학자들은 알려진 모든 기본 입자와 우주 장 간의 상호 작용을 설명하는 양자 장 이론인 입자 물리학 표준 모델의 수학을 사용하여 실험과 정확히 일치하는 힉스 보손의 행동을 예측합니다. 의심의 여지가 없습니다. 힉스 장은 다른 많은 장에 복원 효과를 만들어냅니다.
따라서 힉스 장에 대한 더 깊은 이해를 바탕으로 다른 이야기를 제안해 보겠습니다.
옛날 옛적에 우주가 생겨났습니다. 엄청나게 뜨거웠고, 소립자로 가득 차 있었습니다. 그 필드 중에는 처음에는 꺼진 힉스 필드가 있었습니다. 그러나 우주가 팽창하고 냉각됨에 따라 힉스 장이 갑자기 켜지면서 0이 아닌 강도가 발생했습니다. 이런 일이 발생하면 많은 필드가 뻣뻣해졌고 그 결과 입자가 공진 주파수와 질량을 획득했습니다. 이것이 바로 힉스장의 영향을 통해 우주가 오늘날의 양자 악기로 변형된 방식입니다.
