[모두 함께하는 과학]힉스입자란

힉스는 기본입자들과 상호작용해 질량을 부여하는 가설적인 입자다. 이 입자와 힉스 입자가 만들어내는 힉스장은 이 개념을 제안한 에딘버러대의 페터 힉스 교수의 이름을 따서 지어졌다.

힉스가 질량을 만들어내는 원리는 힉스장으로 설명된다. 광자가 전자기장과 관련된 입자이듯이 힉스 입자는 힉스장과 연관된 입자이다. 힉스장은 우주 공간 어디에나 존재한다고 볼 수 있다.

따라서 입자가 힉스장을 지나가면서 얼마나 힉스장과 상호작용을 많이 하는가에 따라 입자의 질량이 결정된다. 상호작용이 강할수록 질량이 무거워진다.

톱쿼크가 무거운 것은 힉스장과 반응을 많이 하기 때문이고, 질량이 없는 광자는 아예 반응을 하지 않는다. 이처럼 힉스는 입자들이 성질은 비슷하지만 질량이 크게 다른 이유를 설명해 줄 수 있을 것이다. 힉스장을 풀장에 비교하면 입자는 수영선수들이고, 수영선수들이 헤엄을 치면서 물과 부딪칠 때 비로소 질량이 생성된다고 보면 이해가 쉽다.

현재 과학자들은 힉스 입자의 질량이 어느 정도 될 것이라는 이론적인 추정치만을 갖고 있다. 그래서 이 정도 질량의 입자를 만들어낼 수 있는 가속기가 유럽과 미국에서 건설되고 있는 것이다. 또한 힉스 입자는 하나가 아니라 여러 종류가 있을지 모른다고 과학자들은 생각하고 있다.

힉스 메커니즘은 전자기력과 약력을 통합하는 이론인 전약이론에서 핵심적인 역할을 한다. 왜냐하면 약한 상호작용의 매개입자인 W와 Z 입자는 매우 무거운데 비해 전자기력의 매개체인 광자는 왜 전혀 질량이 없는지 힉스가 설명해줄 수 있기 때문이다.

그러나 힉스 입자가 존재하지 않는다면 물리학의 기본뼈대라고 할 수 있는 표준모형이 전면적으로 수정돼야 한다.

<동아사이언스신동민기자>hisdm@donga.com