힉스메커니즘Higgs Mechanism

힉스메커니즘Higgs Mechanism

힉스메커니즘에는 힉스장Higgs field이 포함된다. 장은 공간의 어디에서나 입자를 만들어낼 수 있는 물리적 대상이다. 힉스장은 힉스를 만든다. 쿼크와 경입자처럼 힉스도 매우 무겁기 때문에 보통의 물질에서는 발견되지 않는다. 물리학자들은 입자충돌실험장치인 강입자가속기LHC(Large Hardron Collider)가 힉스를 만들어낼 것으로 기대한다. 이 가속기는 스위스 제네바 근처 유럽입자물리학연구소(CERN)에 건설되었다.

힉스장에 입자가 존재하지 않더라도 장은 0이 아닌 값을 취할 수 있다. 힉스메커니즘에 따르면 힉스장 둘 중 하나는 0이 아닌 값을 갖는다. 0이 아닌 힉스장의 값이 입자 질량의 기원이 될 것이다. 입자가 생성되거나 소멸되지 않는 경우가 진공상태이다. 장의 값이 0이 아닌 경우는 실제 입자는 없지만 장이 전하를 띠고 있는 공간으로 볼 수 있다. 장이 띠고 있는 전하는 공간 전체에 퍼져있을 것이다. 0이 아닌 힉스장은 우주 전체에 약력 전하를 퍼뜨린다. 두 힉스장 중 하나가 0이 아닐 경우 진공 자체가 약력 전하를 띠게 된다. 약력게이지보존은 다른 약력 전하와 상호작용하듯 진공의 약력 전하와도 상호작용한다. 그리고 진공에 퍼져있는 약력 전하는 약력게이지보존이 먼 거리로 힘을 전달하는 것을 막는다. 더 멀리 이동하려는 약력게이지보존은 더 많은 진공에 퍼져있는 약력 전하를 만나게 된다.

힉스장은 약력의 영향을 아주 짧은 거리로 제한한다. 약력게이지보존은 약 1경분의 1cm 안에서만 방해받지 않고 움직일 수 있다. 진공에 퍼져있는 약력 전하는 매우 얇게 퍼져있어 짧은 거리에서는 0이 아닌 힉스장이 갖는 약력 전하의 존재를 알 수 없다. 그러나 거리가 멀어지면 입자들이 더 멀리까지 이동해야 하고 더 많은 약력 전하와 부딪히게 된다. 얼마나 많은 약력 전하와 만나는가는 전하 밀도에 따라 달라지며 전라 밀도는 0이 아닌 힉스장의 값이 얼마인지에 따라 결정된다. 저에너지 약력게이지보존이 멀리 이동할 경우 진공에 퍼져있는 약력 전하가 길을 막는다. 양자론에서 단거리는 자유롭게 이동하지만 장거리는 거의 이동하지 않는 입자의 질량은 0이 아니어야 한다. 진공 속의 약력 전하 밀도는 전하가 대략 1경분의 1cm마다 하나 있는 정도이다. 이를 고려하면 약력게이지보존(전하를 가진 W 입자와 중성인 Z 입자)의 질량은 약 100기가전자볼트의 측정값을 갖는다.

쿼크와 경입자도 약력게이지보존과 비슷한 방식으로 질량을 얻는다. 쿼크와 경입자는 공간 전체에 분포한 힉스장과 상호작용하고 그럼으로써 우주에 퍼져있는 약력 전하의 방해를 받게 된다. 약력게이지보존과 마찬가지로 쿼크와 경입자도 시공간의 모든 곳에 분포하는 힉스 전하와 부딪히면서 질량을 얻는다. 힉스장이 없으면 이 입자들의 질량은 0이 될 수밖에 없다.

힉스메커니즘은 질량의 기원을 설명할 뿐만 아니라 약력게이지보존이 양자장이론에 따라 질량을 얻는 것을 보여주는 단 하나뿐인 확실한 설명이다. 힉스메커니즘은 약력 대칭성이 짧은 거리에서, 즉 고에너지상태에서는 보존되지만 먼 거리에서, 즉 저에너지상태에서는 깨지는 것처럼 보여준다. 힉스메커니즘은 약력 대칭성을 자발적으로 깨드리며 이런 자발적 붕괴는 질량을 가진 게이지보존의 문제를 근본적으로 해결한다.

2개의 힉스장이 0이라면 2개의 장은 동등하고 호환가능하다. 그리고 약력과 관련된 내부대칭성이 완전하게 보존된다. 그러나 2개 중 하나가 0이 아니라면 힉스장은 약력 대칭성이 자발적으로 깨진다. 한 장이 0이고 다른 장이 0이 아니라면 2개의 장을 교환가능하게 해주는 약전 자기대칭성이 깨진다. 대칭성이 자발적으로 깨지는 까닭은 대칭성을 깨뜨리는 것이 진공, 즉 0이 아닌 장이기 때문이다. 약력 대칭성이 자발적으로 깨지는 에너지 값은 약력게이지보존의 질량으로 정확하게 알 수 있다. 그 에너지가 250기가전자볼트, 즉 W-, W+, Z 입자 같은 약력게이지보존의 질량에 근접한 약력규모의 에너지이다. 입자의 에너지가 250기가전자볼트보다 높을 경우 대칭성이 보존되는 것처럼 상호작용한다. 그러나 에너지가 250기가전자볼트보다 낮으면 대칭성이 깨지고 약력게이지보존은 질량이 있는 것처럼 행동한다. 힉스장이 0이 아닌 정확한 값을 갖는다면 약력 대칭성은 그에 해당하는 에너지상태에서 자발적으로 깨지며, 약력게이지보존도 그에 따른 정확한 질량 값을 얻게 된다.

약력게이지보존에 적용되는 이 대칭변환은 쿼크와 경입자에도 적용된다. 쿼크와 경입자가 질량을 갖게 되면 이 대칭변환은 깨진다. 이는 쿼크와 경입자가 질량을 갖지 않을 경우에만 약력 대칭성이 보존됨을 의미한다.