힉스입자 붕괴 이유

지난시간에 이어서...http://universics.tistory.com/150

3. 왜 다른 입자들은 붕괴하지 않고 계속 존재하는데 힉스입자는 바로 사라지는가?

이 질문에 대해 답을 해 드리자면

힉스입자만 특별히 붕괴하는 것이 아니다.

라고 할 수 있습니다.

모든 입자는 수명을 가지고 있습니다.

   

이게 진짜인지 아닌지는 솔직히 말하면 정확히는 모르지만.....

현재 연구중인 이론에 따르면 모든 입자들은 고유 수명이 있어서

그 수명만큼 상태를 유지하고 붕괴한다고 봅니다.

즉, 양성자나 전자같은 기본입자들도 고유의 수명이 있어서

그 수명이 지나면 붕괴한다는 것이지요.

이런 아이디어라면 이 우주는 언젠가 모든 입자가 붕괴해서

아무것도 존재하지 않는 상태가 되겠죠?

그런데 여태껏 과학사에서는 양성자나 전자가 붕괴했다는 관측결과가 단 하나도 나오지 않았습니다.

그 이유는 이런 입자들의 수명이 엄청나게 길어서 그렇다고 하는데

어쨌든 한 번도 관측이 되지 않았기 때문에 어디까지나 가설일뿐입니다.

다만 신빙성이 좀 높은 가설인것이지요.

현재 우주의 수명보다 세제곱배나 긴 시간이 지나야 양성자가 붕괴한다는 말도 있는데...

아무것도 입증 된 것은 없습니다.

   

그런데 왜 이런 말들이 생겨난 것일까요?

모든 입자들은 원래 붕괴한다니...

그것은 여러 입자들을 관측 해 봤더니

대다수의 입자들이 일정시간 수명이 다 하면 붕괴해서

다른 입자로 쪼개진다는 결과를 얻었기 때문입니다.

   

일단 이것을 자세히 설명하기 위해서 기본입자도표를 다시 가져오겠습니다.

   

힉스입자 소개할때에는 자세히 설명하지 않았는데

페르미온을 자세히 보시면

맨 위에 1세대, 2세대, 3세대 이렇게 구분이 되어 있습니다.

그리고 페르미온은 랩톤과 쿼크로 나눠져 있고요~

랩톤입자 6개는 강력과 상관없는 입자이고

랩톤의 반대인 하드론(hadron)은 강력과 상관 있는 양성자나 중성자 같은 합성입자들입니다.

   

원래는 전자가 양성자나 중성자보다 매우 가볍기 때문에

가볍다는 뜻으로 경입자(lapton)라고 불렀는데

나중에 타우온을 발견했더니 얘는 전자랑 성격이 비슷해서 랩톤에 넣어야 하는데...

이녀석은 원자핵보다 훨씬 무거운 녀석이었던 것입니다.

그래서 경입자가 강입자보다 가볍다는 의미는 없애버리고 랩톤의 정의를 바꿨습니다.

강한상호작용을 하지 않는 입자라고...

   

이들은 같은 색, 가로방향 묶음끼리는 질량의 차이만 있을 뿐

나머지 물리량이 모두 동일한 입자 그룹입니다.

즉, 1세대에서 3세대로 갈수록 질량이 커진다는 변화만 있을 뿐

전기적, 양자적 성질이 모두 동일하지요.

   

가장 친숙한 입자인 전자를 예로 들어보겠습니다.

   

<왼쪽부터 전자, 뮤온, 타우입자 입니다.>

   

맨 위에 숫자 옆에 MeV/c² 이라고 써져 있는 생소한 단위가 바로 질량을 의미합니다.

   

왜냐고요?

유명한 상대성 이론 공식

E=mc²

이거 아시죠?

MeV 단위는 메가일렉트론볼트 라고 읽는 에너지의 단위인데

   

E=mc²

여기서 질량만 남기고 이항해서 정리하면

m=E/c²

즉,

질량 = (에너지) / (광속의 제곱)

이렇게 되기 때문에 에너지를 광속의 제곱으로 나눠주면 질량의 단위가 나오는 것입니다.

   

암튼 중요한 것은 맨 위에

0.511MeV/c² , 105.7MeV/c² , 1.777GeV/c²

이것들의 의미가 질량이라는 것입니다.

1세대에서 3세대로 갈 수록 질량이 증가하는 것을 볼 수 있죠?

   

공통적인 물리량 중에 -1은 전하량을 의미하고

1/2 이놈은 스핀값인데... 이건 또 따로 다루기로 하겠습니다.

   

지금 제가 드린 설명의 요점은

   

전자와 똑같이 생긴 놈인데 그냥 더 무겁기만 한 놈이 존재한다는 것을 관측했다!

   

이것입니다.

   

   

어떻게 관측했냐고요?

원래 전자와 같이 전하량이 있는 입자들은 관측하기 어렵지 않습니다.

전자기력은 우리 주변에 흔한 힘이고,

전하를 가진 입자들은 전자기적 상호작용을 하기 때문에

조금만 신경 쓰면 관측이 가능하거든요~^^

   

전자 바로 옆의 뮤온의 발견도

그냥 우주에서 지구로 들어오는 입자를 측정해서 분석하다보니까

이런 놈도 있구나~~

하고 자연스럽게 알게 된 것입니다.

막 힉스입자 찾듯이 각고의 노력 끝에 어렵게 찾아낸 그런 놈은 아니예요 ^^

   

그런데 이 뮤온이 전자보다 무겁다는 것 말고는 별다를 특성이 없는 줄 알았는데

얘가 글쎄 수명이 있지 뭐예요?

   

   

위키피디아에서 퍼왔는데...

평균 수명이 2.2 마이크로 초 라고 나와있죠?

   

뮤온을 발견하기 전에는 입자의 수명이라는 것을 생각 해 본 적이 없었는데

얘가 수명이 있으니까 이 현상을 설명하기 위해서 또 연구를 했더니...

   

원래 입자들은 모두 고유의 수명을 가지고 있다.

   

이런 결론이 나온 것입니다.

전자와 양성자처럼 우리 주변의 물질들을 이루고 있는 안정적인 입자들은

그 수명이 엄청나게 길어서 붕괴하지 않는다는 것이지요.

   

즉, 표준모델에서 봤을 때 모든 입자의 붕괴는 자연적인 현상입니다.

힉스입자만 특별나게 붕괴를 하는 것이 아니라는 것이지요.

   

그러니 왜 힉스입자는 붕괴를 하느냐?

이 질문에 대한 답은

원래 전부 다 붕괴하는데

힉스입자 수명이 좀 짧아서 빨리 붕괴한다.

이렇게 설명 할 수 밖에 없습니다.

   

붕괴하면서 나오는 여러 가지 입자들과

수명을 계산하는 붕괴메커니즘까지 다루면

너무 깊은 내용이라 일반인이 이해할만한 영역이 아닙니다.

저도 아직은 잘 모르는 부분이기도 하고요~^^

   

그럼 힉스입자 붕괴하는 이유는

"원래 모든 입자는 때가 되면 붕괴하는 것이 자연법칙이다"

라고 결론 내리면서 끝마치겠습니다.