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2013년 3월 14일 목요일

한층 더 존재 가능성이 높아진 표준 모델 힉스 입자




 CERN 이 3월 14일 보도 자료를 내고 작년에 발견된 125 GeV particle 이 실제 힉스 입자일 가능성이 한 단계 더 높아졌다고 언급했습니다. 다만 아직 과학계에서 완전한 의견의 일치를 볼 정도로 증거를 모으지 못했기 때문에 이에 대해서 매우 조심스럽게 언급하고 있습니다. (아래는 보도 자료 전문)


 At the Moriond Conference today, the ATLAS and CMS collaborations at the Large Hadron Collider (LHC) presented preliminary new results that further elucidate the particle discovered last year. Having analysed two and a half times more data than was available for the discovery announcement in July, they find that the new particle is looking more and more like a Higgs boson, the particle linked to the mechanism that gives mass to elementary particles. It remains an open question, however, whether this is the Higgs boson of the Standard Model of particle physics, or possibly the lightest of several bosons predicted in some theories that go beyond the Standard Model. Finding the answer to this question will take time.

Whether or not it is a Higgs boson is demonstrated by how it interacts with other particles, and its quantum properties. For example, a Higgs boson is postulated to have no spin, and in the Standard Model its parity – a measure of how its mirror image behaves – should be positive. CMS and ATLAS have compared a number of options for the spin-parity of this particle, and these all prefer no spin and positive parity. This, coupled with the measured interactions of the new particle with other particles, strongly indicates that it is a Higgs boson.

“The preliminary results with the full 2012 data set are magnificent and to me it is clear that we are dealing with a Higgs boson though we still have a long way to go to know what kind of Higgs boson it is,” says CMS spokesperson Joe Incandela.

"The beautiful new results represent a huge effort by many dedicated people. They point to the new particle having the spin-parity of a Higgs boson as in the Standard Model. We are now well started on the measurement programme in the Higgs sector," says ATLAS spokesperson Dave Charlton.

To determine if this is the Standard Model Higgs boson, the collaborations have, for example, to measure precisely the rate at which the boson decays into other particles and compare the results to the predictions. The detection of the boson is a very rare event – it takes around 1 trillion (10^12) proton-proton collisions for each observed event. To characterize all of the decay modes will require much more data from the LHC.



 이 내용을 보게 되면 결국 새롭게 발견된 입자가 힉스 입자가 가지고 있는 특징 - 이미 검증된 질량 뿐 아니라 스핀 0 에 parity + 인 입자 - 에 보다 근접한 것으로 보여 힉스 입자일 가능성이 더 커졌습니다. 참고로 2012 년 7월에 발표된 내용은 2 차례의 실험 결과에서 125 GeV 부근에서 새로운 입자를 찾았다는 내용이며 이 새 입자의 질량이 125 GeV 가 넘지 않는다는 것은 이제 확신할 정도의 수준에 올라섰다고 CERN 측은 밝혔습니다.


(과거 힉스 보존에 대한 포스트 참조  :  http://blog.naver.com/jjy0501/100161669649 ) 


 거대 강입자 가속기 (LHC) 의 ATLAS 에서 측정한 새 보존 (boson) 의 질량은 126.0 ± 0.4 (stat) ± 0.4 (sys) GeV/c2 이고 (5.9 - sigma), CMS 에서 측정된 값은 125.3 ± 0.4 (stat) ± 0.5 (sys) GeV/c2 (5 - sigma) 이므로 질량에 대해서는 어느 정도 의견의 일치를 본 셈입니다. 그리고 스핀 및 parity 에 있어서도 이제는 힉스 보존에 적합한 특징이 관찰되었습니다. 하지만 현 시점에서 국내 언론 보도 - 즉 힉스 입자의 발견이 확정되었다는 기사들 - 과는 다르게 아직도 검증 과정은 남아있습니다. 이 125 GeV 입자를 힉스 입자라고 부르기에는 몇가지 남은 과제가 있다는 것이죠. 




(2013년 2월까지 125 GeV 입자의 검증 상태   Source : Wiki) 



 힉스 입자는 사실 어딘가 숨어 있는 드문 입자가 아니라 표준 모델에 따르면 우주에 꽉차 있는 입자입니다. 우리 주변에 항상 존재하며 다른 입자와의 상호 작용을 통해 질량을 부여하므로 힉스 입자 하나만을 꺼내서 확인하기란 사실상 매우 어려운 일입니다. 이를 위해선 LHC 같은 거대 입자 가속기를 이용해서 엄청난 에너지를 주어 힉스 입자가 튀어나오게 하는 수 밖에 없습니다.


 과학자들은 이렇게 튀어 나온 힉스 입자가 표준 모델 (Standard Model) 에 따라 어떻게 행동을 보일 것인지 예측하고 있고 작년에 발견한 125 GeV 입자의 특징이 이에 맞는 지 계속 검토하고 있습니다. 지금 나온 보도 자료는 일부가 그 특징에 맞다는 이야기이지 모든 검증이 다 마무리 되었다는 이야기는 아니라고 하겠습니다. 


 이를 테면 이렇게 진공 상태에서 내몰린 힉스 입자는 몇가지 패턴에 따라 다른 입자로 붕괴될 것입니다. 이 새로운 입자이 붕괴 패턴이 실제 예상한 것과 같은 지 검증하는 작업은 아직도 진행 중에 있습니다. 여기까지 검증 단계가 끝나면 새로운 입자가 힉스 보존일 것이라는 의견이 어느 정도 과학자들 사이에서 확고한 지지를 얻을 것으로 보이지만 아직은 그 단계는 아니기에 CERN 의 보도 자료 역시 조심스러운 상태입니다. 적어도 뉴스 보도 처럼 과학자들이 지금 힉스 입자 발견에 감동해서 눈물을 흘릴 것 같은 단계는 아니라는 것이죠.  


 한가지 재미있는 부분은 이 입자가 힉스 입자는 맞는 데 표준 모델에서 예측하는 힉스 입자 (Standard Model Higgs boson) 는 아닐 가능성입니다. 일단 지금까지의 결과는 그렇지는 않은 것으로 보입니다. 표준 모델의 예측과 힉스 입자의 실제 모습이 다르면 표준 모델이 수정될 수도 있기 때문에 이는 중대한 이야기라고 하겠습니다. 아무튼 2013 년 3월에 과학자들이 이 입자가 더 힉스 처럼 (그것도 표준 모델에서 예상한 그대로의) 보인다는 데는 의견을 모은 것 같습니다. ( 'the new particle is looking more and more like a Higgs boson,' )  


 하지만 보도 자료에서도 언급했듯이 아직은 더 데이터 수집/분석과 연구가 필요합니다. 다만 LHC 의 업그레이드로 인해 한동안은 연구가 중단될 예정입니다. 현재 LHC 는 작동이 중단된 상태라 2015 년 실험이 재개될 수 있을 것으로 보입니다. 이 때가 되면 LHC 는 빔당 4 TeV 가 아니라 6.5 TeV 는 낼 수 있을 것으로 보이며 지금까지 도달한 적이 없던 최고 에너지인 13 - 14 TeV 를 달성할 수 있을 것 같습니다. 이렇게 되면 일부 이론에서 예측된 다양한 힉스 입자의 존재가 밝혀질지도 모릅니다. 아니면 지금까지 생각치 못한 특이한 입자가 생길 수도 있겠죠. 2015 년 이후에 무엇이 발견될지는 신만이 아는 일일 것입니다. 


 참고  




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