힉스 보손: 더 가벼운 입자에도 질량을 부여하는가?
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-12-15 20:10:33
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- 힉스 보손은 모든 입자에 질량을 부여하는 핵심 요소
- 지금까지는 가장 무거운 물질 입자에 대해서만 필요한 상호작용이 관측됐다.
- 힉스 보손이 더 가벼운 세대의 입자들과 결합할 수 있다는 것이 분명해졌다.
- 힉스 입자가 두 개의 더 가벼운 쿼크 세대와 결합한다는 증거는 아직 밝혀지지 않았다.
힉스 보손은 우리 물리 세계관의 근간을 이루는 핵심 요소다. 현재 이론에 따르면, 이 입자와 그와 관련된 힉스 메커니즘이 모든 입자에 질량을 부여한다. 만약 이것이 사실이라면, 힉스 보손은 모든 물질 입자와 상호작용해야 하며, 그 상호작용은 기본 입자가 무거울수록 더 강해야 한다. 표준 모형의 주요 입자들, 즉 탑 쿼크, 바텀 쿼크, 그리고 타우 렙톤의 경우, 물리학자들은 이미 이러한 결합을 입증했다.
곡선의 돌출부
하지만 두 개의 가벼운 입자 그룹에 대해서는 아직 증거가 부족하다. CERN의 물리학자들은 2020년에 힉스 보손과 뮤온 사이의 결합에 대한 초기 징후를 발견했다. 뮤온은 타우 렙톤보다 가볍지만, 전자보다는 무거운 입자로, 기본 입자의 중간 세대에 속한다. 대형 강입자 가속기(LHC)에서 힉스 보손의 붕괴 과정에서 뮤온의 과잉 방출이 곡선에 "돌출부"로 나타났다.
하지만 그 유의성은 아직 발견으로 간주될 만큼 높지 않았다. CMS 검출기에서는 3표준편차, ATLAS 검출기에서는 2표준편차에 불과했다. 따라서 ATLAS 협력단의 물리학자들은 데이터베이스를 확장하여 LHC 3차 실험 결과도 분석했다. 이번 실험에서는 양성자 충돌 에너지를 13.6 테라전자볼트(TeV)까지 높였고, ATLAS 검출기의 성능 향상으로 뮤온 검출 감도를 높였다.
뮤온 과잉 현상이 더욱 명확해졌다.
결과가 나왔다. 예상대로 새로운 데이터는 곡선에서 뮤온 과잉 현상을 보여주는 중요한 "돌출부"를 나타냈다. 연구 결과에 따르면, 양성자 충돌에서 생성된 뮤온 쌍의 수가 힉스 결합이 없을 경우 예상되는 것보다 1.4배 더 많았다. 이 결과의 유의 수준은 3.4 시그마다. 이는 이 신호가 순전히 우연의 일치일 확률이 1/3000의 미만임을 의미한다.
연구팀은 "ATLAS 실험은 힉스 보손이 두 개의 뮤온으로 붕괴하는 드문 현상, 즉 2세대 페르미온과의 유카와 결합에 대한 증거를 제시한다"고 밝혔다. 이 새로운 결과는 질량의 원천으로서 힉스 메커니즘을 둘러싼 수수께끼를 푸는 데 또 하나의 중요한 단서를 제공한다. 힉스 보손이 더 가벼운 세대의 입자들과 결합할 수 있다는 것이 분명해졌다.
“아직 할 일이 많다”
하지만 이것만으로는 증명하기에 충분하지 않다. 입자 물리학에서 공식적인 발견으로 인정받으려면 5시그마의 유의성이 필요하다. 미국 페르미 국립 가속기 연구소의 크리스 퀴그(Chris Quigg)는 “아직 할 일이 많다”고 말했다. 힉스 입자가 두 개의 더 가벼운 쿼크 세대와 결합한다는 증거는 아직 밝혀지지 않았다. 이 연구에 참여하지 않은 한 물리학자는 “이를 측정하는 것은 매우 어려운 과제가 될 것이다”고 덧붙였다.
참고 :Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/gzdh-p159
출처: 미국 물리학회, Physical Review Letters
- 힉스 보손은 모든 입자에 질량을 부여하는 핵심 요소
- 지금까지는 가장 무거운 물질 입자에 대해서만 필요한 상호작용이 관측됐다.
- 힉스 보손이 더 가벼운 세대의 입자들과 결합할 수 있다는 것이 분명해졌다.
- 힉스 입자가 두 개의 더 가벼운 쿼크 세대와 결합한다는 증거는 아직 밝혀지지 않았다.
힉스 보손: 더 가벼운 입자에도 질량을 부여하는가?
LHC 입자 가속기에서 관측된 뮤온 과잉 현상, 가장 강력한 증거 제시
이론에 따르면 힉스 보손은 모든 입자에 질량을 부여하는 핵심 요소다. 그러나 지금까지는 가장 무거운 물질 입자에 대해서만 필요한 상호작용이 관측됐다. 이제 LHC 입자 가속기에서 양성자 충돌 실험을 통해 힉스 메커니즘이 더 가벼운 입자에도 적용된다는 가장 강력한 증거가 발견됐다. 이는 입자 붕괴 과정에서 뮤온이 미미하게 과잉 생성된 것을 통해 확인되었다. 하지만 여전히 많은 의문점이 남아 있다.
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| ▲ 물리학자들이 대형 강입자 가속기(LHC)의 ATLAS 검출기에서 힉스 보손에 관한 또 다른 중요한 단서를 발견했다. © Maximilien Brice/CERN |
힉스 보손은 우리 물리 세계관의 근간을 이루는 핵심 요소다. 현재 이론에 따르면, 이 입자와 그와 관련된 힉스 메커니즘이 모든 입자에 질량을 부여한다. 만약 이것이 사실이라면, 힉스 보손은 모든 물질 입자와 상호작용해야 하며, 그 상호작용은 기본 입자가 무거울수록 더 강해야 한다. 표준 모형의 주요 입자들, 즉 탑 쿼크, 바텀 쿼크, 그리고 타우 렙톤의 경우, 물리학자들은 이미 이러한 결합을 입증했다.
곡선의 돌출부
하지만 두 개의 가벼운 입자 그룹에 대해서는 아직 증거가 부족하다. CERN의 물리학자들은 2020년에 힉스 보손과 뮤온 사이의 결합에 대한 초기 징후를 발견했다. 뮤온은 타우 렙톤보다 가볍지만, 전자보다는 무거운 입자로, 기본 입자의 중간 세대에 속한다. 대형 강입자 가속기(LHC)에서 힉스 보손의 붕괴 과정에서 뮤온의 과잉 방출이 곡선에 "돌출부"로 나타났다.
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| ▲ 물리학자들은 이미 힉스 보손이 가장 무거운 3세대 쿼크와 렙톤에 결합되어 있음을 확인했다. 하지만 더 가벼운 입자들에 대해서는 아직 이러한 결합이 입증되지 않았다. © Cush/ Fermilab |
하지만 그 유의성은 아직 발견으로 간주될 만큼 높지 않았다. CMS 검출기에서는 3표준편차, ATLAS 검출기에서는 2표준편차에 불과했다. 따라서 ATLAS 협력단의 물리학자들은 데이터베이스를 확장하여 LHC 3차 실험 결과도 분석했다. 이번 실험에서는 양성자 충돌 에너지를 13.6 테라전자볼트(TeV)까지 높였고, ATLAS 검출기의 성능 향상으로 뮤온 검출 감도를 높였다.
뮤온 과잉 현상이 더욱 명확해졌다.
결과가 나왔다. 예상대로 새로운 데이터는 곡선에서 뮤온 과잉 현상을 보여주는 중요한 "돌출부"를 나타냈다. 연구 결과에 따르면, 양성자 충돌에서 생성된 뮤온 쌍의 수가 힉스 결합이 없을 경우 예상되는 것보다 1.4배 더 많았다. 이 결과의 유의 수준은 3.4 시그마다. 이는 이 신호가 순전히 우연의 일치일 확률이 1/3000의 미만임을 의미한다.
연구팀은 "ATLAS 실험은 힉스 보손이 두 개의 뮤온으로 붕괴하는 드문 현상, 즉 2세대 페르미온과의 유카와 결합에 대한 증거를 제시한다"고 밝혔다. 이 새로운 결과는 질량의 원천으로서 힉스 메커니즘을 둘러싼 수수께끼를 푸는 데 또 하나의 중요한 단서를 제공한다. 힉스 보손이 더 가벼운 세대의 입자들과 결합할 수 있다는 것이 분명해졌다.
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| ▲ 아래쪽 곡선의 돌출부는 LHC에서 힉스 보손 붕괴로 생성된 뮤온의 과잉량을 나타낸다. © ATLAS Collaboration/ Physical Review Letters, CC-by 4.0 |
“아직 할 일이 많다”
하지만 이것만으로는 증명하기에 충분하지 않다. 입자 물리학에서 공식적인 발견으로 인정받으려면 5시그마의 유의성이 필요하다. 미국 페르미 국립 가속기 연구소의 크리스 퀴그(Chris Quigg)는 “아직 할 일이 많다”고 말했다. 힉스 입자가 두 개의 더 가벼운 쿼크 세대와 결합한다는 증거는 아직 밝혀지지 않았다. 이 연구에 참여하지 않은 한 물리학자는 “이를 측정하는 것은 매우 어려운 과제가 될 것이다”고 덧붙였다.
참고 :Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/gzdh-p159
출처: 미국 물리학회, Physical Review Letters
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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