Higgs Boson

한국에서 주로 힉스 입자라고 불린다. 하지만 힉스 보손 (혹은 보존^[각주:1], Higgs boson, 하지만 이하 Higgs) 이 옳다. 표준모형 중 유일하게 스핀이 0인 boson^[각주:2]이 되겠다. 이름에서 알 수 있듯 Fermi–Dirac statistics 대신 Bose–Einstein statistics를 따른다. 그나마 이론적으로 발전한 모형인 표준모형이 성립할 때 남은 퍼즐 중 하나였다. String theory나 Technicolor^[각주:3]는 아직 보완할 것이 많다... 기 보다는 망한 게 하나 보이네. 물론 표준모형^[각주:4]도 마찬가지지만.

한 줄 요약하면 Higgs는 힉스가 이론화한 mechanism에서 발견되지 않았던 boson이다. Higgs field^[각주:5]의 spontaneous symmetry breaking^[각주:6]을 통해 gauge boson의 gauge symmetry가 깨지고 fermion이 이와 상호작용하면서 mass를 얻는다. Higgs field SU(2)의 generators는 spontaneous symmetry breaking에 따라 각각 W boson들과 Z boson 그리고 Higgs의 네 boson에 대응된다.

정확한 것은 아니지만, Higgs가 낸 논문이 Goldstone's theorem 일부를 반박하면서 낸 건데,^[각주:7] Gauge boson은 Goldstone boson의 대칭성이 깨진 것을 통해 질량을 얻는다고 표현할 수도 있는데,^[각주:8] Goldstone boson의 이론적인 시작은 망한 이론 BCS theory에서 시작했다. BCS theory에서 굴러나온 BEC^[각주:9]가 아이디어로 작용했는데, 이 상태에서 spin이 정렬되면서 symmetry가 깨지게 된다. 이런 것처럼^[각주:10] gauge symmetry는 냅두고 거시적으로는 깨진 것처럼 보인다는 걸 골자로 하는 것이다.

Gauge symmetry 아래에 있는 gauge boson들은 mass를 가질 수 없는 반면, QCD 기반의 SU(3)은 깨지지 않기 때문에 gluon은 질량을 가지지 않는다. Higgs mechanism에 의해 대칭성이 깨져 generators에 대응되는 W Boson이나 Z Boson 같은 gauge boson들과 각종 쿼크는 질량을 가지고 있다.

표준모형은 위에서 말했듯이 SU(2)×U(1)를 바탕으로 하는데, U(1)의 gauge boson인 photon이 갑툭튀하는 것에서 gauge symmetry가 깨지지 않았다는 것을 보여준다.^[각주:11] photon은 질량이 없으니 field 개념의 모순에 끼지도 않고.

작년 Higgs가 관측 (observe)되었다고 했다. 이는 결과가 평균에 비해 표준편차의 3배 (3σ) 일 때를 말한다. 보고서는 5σ 근처의 결과를 말해주고 있다. 2013년 3월 14일, spin이 0으로 일치한다고 기사가 나왔다. 종합적으로 인정한듯 보인다. 끝내 힉스가 노벨상을 받았다.

하지만 여전히 알지 못하는 것들이 많다. Higgs 관련해서도, 그게 '표준모형의 그 Higgs'를 정확히 지칭한다고 해도, 왜 symmetry breaking이 일어나는 energy scale이 거기인가가 또 궁금해진다. Coupling도 그렇고.. 그리고 TeV 급 LHC를 돌려 나온 게 Higgs뿐이란 건 다른 모형에 악재다. 앞으로 표준모형 기반으로 흘러갈 것 같고 실험 결과에 전적으로 의존하게 되리라 예측되는 와중에 SUSY 쪽의 울부짖음은 듣지 않아도 눈물이 난다.^[각주:12] 거시 쪽은 확실히 목표가 있는데 양자 쪽은 뭔가 큰 장벽 앞에 막힌 느낌을 받는 중.

Changes...

2013년 3월 16일, CMS 추가 보고서 내용 반영.

2013년 4월 28일, 생물 과제로 표준모형에 대한 글 제출한 것으로 보완.

2013년 10월 22일, Peter Higgs의 노벨상 수상 기록 추가.

1. 하지만 보손이라고 불러주는 게 좋다. [본문으로]
2. Scalar boson [본문으로]
3. Quark와 Lepton 같은 Fermion에 mass를 부여하기 위해 이론의 확장 필요성이 있다. 쉽게 말해서 이거지 사실상 Higgsless는 싸그리 망한듯. [본문으로]
4. Glashow-Weinberg-Salam [본문으로]
5. 표준모형인 만큼, SU(2) doublet (이중항), Unitary [본문으로]
6. Mexican hat 모양처럼 potential에 변화가 생겨 국소적 (local) 으로 깨지는데 진공 (ground state) 를 벗어날 수 있는 입자는 mass가 0이어야 한다. [본문으로]
7. Goldstones' theorem에 대해선 non-relativistic적 접근시 다른 값이 나오는데 생략. [본문으로]
8. 이렇게 보는 게 Higgs랑 vacuum expectation value 쓰는 것보다 개론식으로 간단하고 ㅋㅋ [본문으로]
9. Bose-Einstein condensate [본문으로]
10. Tachyon condensation을 참조하면 이해하기 쉬울 것이다. [본문으로]
11. U(1)은 안 깨진다. [본문으로]
12. SUSY 파티클 하나 없이 Higgs만 달랑.. [본문으로]