The Standard Model of Particle Physics and the Higgs Boson

Kang Young LEE
2012 Physics and High Technology  
We explain the Standard Model of particle physics and the Higgs mechanism. The Higgs mechanism is the spontaneous symmetry breaking of the gauge symmetry and the Higgs boson is a massive, neutral, scalar particle that appears in the Higgs mechanism process. We introduce a brief history of the Higgs mechanism and the Higgs boson. 물질이란 무엇인가 하는 질문은 우주란 무엇인가 하는 질문과 함께 자연에 대한 가장 근본적이면서도 궁극적인 물음이다. 하나 는 물질의 가장 기본을 생각하는 것이고, 다른 하나는 세상 전체 에 대해 이해하려는 것이다. 우주를 연구해온 사람들은 우리 우 주가 약 137억 년 전에 탄생해서 팽창하며 진화해
more » ... 년 전에 탄생해서 팽창하며 진화해 왔음을 알게 되었다. 물질의 구조를 탐구해온 사람들은 물질을 이루는 원자가 원자핵과 전자로 이루어져 있음을 확인했고, 원자핵을 이루는 더 근본적인 입자인 쿼크의 존재를 파악했으며, 그들이 상호작용하 는 방식을 이해했다. 그러면서 놀랍게도 우주는 처음에 빅뱅이라 고 불리는 아주 작고 뜨거운 상태였기 때문에, 우주의 시작을 논 하기 위해서는 기본입자들의 물리학을 이용해야 한다는 것을 알 게 되었다. 20세기를 거치면서 두 질문은 서로 만난 것이다. 인간이 물질의 근본적인 구조에 대해서 이해하는 과정에서 가장 중요한 개념은 원자였다. 기원전 5세기경 그리스의 데모 크리토스 등이 처음 생각한 원자라는 개념은 19세기에 들어 서 화학과 열역학의 기체운동론이 발전하면서 점점 더 중요 해졌다. 20세기에 접어들어 마침내 원자는 그 존재가 확인되 고, 구체적인 실체로서 연구되기 시작했다. 원자의 구조를 설 명하기 위해서 양자역학이라는 완전히 새로운 체계가 태어났 다. 양자역학을 통해서 원자를 알게 되면서 인간은 이전과는 비교도 할 수 없도록 깊이 물질을 이해할 수 있게 되었다. 원자를 이루는 힘은 전자기력이다. 이는 곧 우리가 일상생 활에서 보는 대부분의 현상의 원인은 전자기력이라는 것을 의미한다. 그런데 1911년 영국의 러더퍼드가 원자핵이 존재 한다는 것을 발견하면서, 우리는 더 이상 전자기력으로는 설 명할 수 없는 대상을 만나게 되었다. 원자는 () 전기를 지닌 원자핵과 () 전기를 지닌 전자가 전자기력으로 결합해 있는 상태지만, 원자핵은 () 전기를 가진 양성자와 전기를 띠지 않는 중성자가 원자보다도 훨씬 작은 크기로 뭉쳐있는 상태 이므로, 전기적인 반발력보다 훨씬 강한 힘으로 묶여 있는 상 태다. 이 새로운 힘을 강한 핵력이라고 부른다. 자연에는 전자기력과 강한 핵력 외에 또 다른 힘이 존재한다. 입자를 바꿀 수 있는 이 독특한 힘은 지상에서는 원자핵의 베타 붕괴에서, 그리고 우주선(cosmic ray)을 관찰할 때 보는 파이온 과 뮤온의 붕괴 등에서 볼 수 있다. 이탈리아의 엔리코 페르미 (Enrico Fermi)는 이들 현상을 기술하는 이론을 만들었고, 이 상 호작용은 전자기 상호작용도, 강한 핵력도 아닌 새로운 힘이라 는 것을 확인했다. 이 새로운 힘을 약한 핵력이라고 부른다. 약한 핵력이 관계하는 현상은 우리 주변에서는 흔히 보기 어려우므로 이 힘은 우리 삶과는 거리가 멀다고 생각하기 쉽다. 그러나 사실 지구의 생명체가 살아가는 것은 약한 상호작용 덕분이라고 해도 과언이 아니다. 바로 태양이 타오르는 과정이 약한 상호작용에 의한 반응이기 때문이다. 이름 그대로, 전자기력의 크기를 1이라 고 하면 강한 핵력은 100배 이상 강하고, 약한 핵력의 크기는 천분의 1 정도에 불과하다. 이로써 자연을 이루는 법칙은 전자기 력, 강한 핵력과 약한 핵력, 그리고 천체를 지배하는 힘인 중력까 지 네 가지 힘을 근원으로 하고 있다는 것이 밝혀졌다. 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며, 원자핵은 다시 양 성자와 중성자로 이루어져 있다. 이러한 물질의 계층 구조가 계
doi:10.3938/phit.21.042 fatcat:mcjyujd6bncdhpvvr3xolyh2a4