힛그스장 입문
이것은 힛그스장에 관한 입문 기사입니다.보다 전문적인 내용은, 히그스 입자나 힛그스 기구를 참조해 주세요.
힛그스장(힛그스바)은, 보편적으로 존재하는 료코장의 일종이며, 아마 소립자가 질량을 가지는 원인이다고 이해되고 있는 개념이다.
모든 료코장에는 대응하는 소립자가 존재한다.힛그스장에 대응하는 것은 히그스 입자(힛그스보손)인[1].
목차
개요
장의 양자론으로는, 만물의 근원적인 실체・구성요소는 입자는 아니고 「장소」이라고 파악한다.예를 들어 전자장도 그 하나이다.입자는, 이것들 「장소」의 진동, 혹은 지속적인 변동으로서 나타내진다.즉, 전자장의 진동은 광자로 불린다.그리고, 힛그스장의 진동은 히그스 입자로 불리는[2].
몇개의 료코장에 의해서 기존의 소립자를 표현・기술할 수 있어 그 이외의 료코장에 의해서 다른 종류의 입자나 힘이 세계에 존재하는 원인이 되는 현상인 「자발적 대칭성의 파괴」를 설명할 수 있다.즉, 자발적 대칭성의 파괴에 의해서 각각의 입자나 힘의 차이가 생긴다.예를 들어 전약상호작용의 이론으로는, 왜 저온 상태로 전자력과 약한 힘의 성질이 크게 다른지, 즉 대칭성이 깨지는지를 설명하기 위해서 힛그스장의 존재가 도입되었다.
소립자 물리학에 있어서의 표준 모형에는, 입자에 질량을 주는 기구가 짜넣어지고 있다.이것이 힛그스 기구이며, 얀=밀스 이론에 질량의 개념을 도입하기 위해(때문에), 1964년에 피터・힛그스가 발전시킨[3].아브두사람과 스티븐・와인바그는 각각 독립에, 약한 상호작용과 전자 상호작용의 이론을 통합한 단일의 「전약상호작용」의 게이지이론을 구축하기 위해서는, 힛그스 기구가 중요하다라고 인정했다.
힛그스 기구를 이용하는 것으로, 그들은 약한 상호작용의 담당자인 W보손과 Z보손(위크보손)이 큰 질량을 가지는데 대해, 전자 상호작용의 담당자는 질량을 가지지 않는 것을 분명히 했다.이것으로부터, 힛그스 기구는 자주 질량의 「기원」이나 「발생」을 설명하는 것이라고 소개되는[4].그러나, 힛그스 기구가 질량의 본질에 대해서 충분한 이해를 주는 것일까에 대해서는, 의문도 정 되고 있다.예를 들어 막스・얀마는 이하와 같이 말하고 있다.「만약 있는 과정이 질량을"발생시키는" 것이면, 그"발생시킨"것의 성질에 대한 정보도 같이 주어야 하는 것이다, 라고 생각해도 이상하지는 않은[5]」.그러나 힛그스 기구로는, 질량은 「쿠레아티오・액스・니히로(무로부터의 창조)」의 기적에 의해 입자안에 「발생한다」것은 아니고, 에너지의 형태로 질량을 저축하고 있는 힛그스장으로부터 입자로 옮겨 바꿀 수 있는 것이다.그리고 「힛그스 기구도 그것을 정치화한 것도, (중략) 우리가 질량의 성질을 이해하는 역에는 서지 않는[6].」
힛그스 기구의 「계략」, 즉 대칭성의 자발적 파괴가 질량의 없는 게이지장에 질량을 주는 방법은, 우주 전체에 퍼지는 스칼라장인 「힛그스장」의 존재를 가정하는 것에 기초를 두고 있다.이 힛그스장과 결합하는 것으로써, 질량이 없는 입자는 potential energy-(위치 에너지)에 가세해 질량과 에너지의 등가성에 의한 질량을 얻는다.이 관계가 강한 만큼, 그 입자는 무거워진다.
입자가 힛그스장과의 상호작용에 의해서 질량을 획득하는 방법은, 압지가 잉크를 흡수하는 모습에 비유할 수 있는[7].압지 한 조각이 개개의 입자에, 잉크는 에너지에 대응한다.다른 종류의 입자는, 각자의 에너지 흡수력과 힛그스장의 힘에 따르고, 다른 양의 에너지를 빨아 올린다.
인플레이션
힛그스장은, 자신 이외의 모든 것을 일으키게 한 진공의 에너지로서 제안되어 왔다.시간의 시작의 순간, 우주의 모두에서 만난 미분화의 에너지는 특징이 없는 대칭성을 가지고 있었다.계속 되어 대칭성의 파괴에 의한 진공의 상전이가 일어나, 그것까지는 불연속적으로 온도와 밀도가 저하해, 그것에 의해 이 우주가 생겼다.마지막에 전약력이 붕괴해 약한 힘과 전자력이 풀어 발해졌다.현재의 실험은 이 현상을 재현할 수 있는 에너지에까지 달하고 있지만, 전약상호작용과 강한 힘을 분리하는 상전이는 아직 달성 되어 있지 않다.그러나, 모든 정지 질량의 기원으로서 제안되고 있는 힛그스장은, 약한 힘과 같이 강한 힘을 탐색하는 실험의 중심인[8].힛그스장은 우주의 인플레이션의 원인으로서 가정되어 온[9].그러한 이론은 표준적인 인플레이션 모형을 구성하는 것이 아니고,"포괄적" (generic) 인플레이션이라고 하는 통칭이 제안되고 있다.그곳에서는 인플레이션의 원인에 대해서는 과제가 남아 있다.힛그스장은"비열적인" (non-thermal) 장소이며, 우주가 퍼져도 온도가 감소하지 않는 장소이다.에너지 밀도가 높으면 우주의 팽창 속도는 빨라지기 위해, 큰 힛그스장은 인플레이션의 원인과 가정되고 있다.
통일 온도 이상에 대해서는, 단일의 전원자력(전자력과 강한 원자력과 약한 원자력이 통일된 힘)이 있었다고 여겨져 전약력을 담당하는 게이지 입자와 강한 힘을 담당하는 게이지 입자는 구별되어 있지 않았다고 제창되고 있다.우주의 온도가 저하하는 것으로, 힛그스장에 의해서 전약강력(전원자력과 같은 의미)이 전약력과 강한 힘으로 나누어져 전약력을 담당하는 입자(광자나 W・Z입자)와 강한 힘을 담당하는 입자(아교 온)의 구별이 생겼다고 생각되고 있다.
최종적으로, 힛그스장의 에너지마저도 제로까지 감소해, 인플레이션은 마지막을 맞이했다.
다크 에너지는 힛그스장으로부터 솟기 시작하는 진공의 에너지와 가정되고 있는[10].
표준 모형
표준 인플레이션 모델로는, 아인슈타인 방정식에 있어서의 기하적인 장소의 에너지원은, 장의 양자론의 가상 입자-반입자의 대 및 복사에 의해 주어지는 물리적인 진공 에너지이라고 되고 있다.이"진공 에너지"는 우주 초기의 팽창의 원인으로 되어 있다.
포괄 모형
포괄 모형으로는, 초기의 료코 진공 이외의 신종의 물질이 가정되고 있다.통상의 물질의 사이에 일하는 중력은 인력이지만, 이 물질은 통상의 물질과 서로 반발하는 점으로 통상의 물질과는 다르다.이것이 힛그스장과 가정되고 있다.힛그스장은 통상의 물질을 팽창시킨 채로, 자신은 통상의 물질에 붕괴했다.이것이 현재 관측되는 우주의 팽창을 설명하는 이 이론의 시나리오이다.
비판
포괄 인플레이션 모형에 적용되는 비판은 몇개인가 있어, 그 중에는 표준 인플레이션 모형에 적용되는 것도 있는[11].
힛그스장은 관측되는 우주의 팽창에 관한 주도적으로 이론적인 설명의 하나이다.그러나, 이 우주 모형이나 10 차원의 끈의 존재에 관해서 실험상이나 수학상의 결정적인 증거는 없다.
동기
힛그스장을 가정하는 주된 동기의 하나는, 단순하고 대칭적인 자연의 법칙을 발견하려고 하는 탐구로부터 와있는[12].물체는 옆쪽으로는 아니게 아래로 향해 떨어지는 것이다.공간의 삼차원의 각방위는 동등한 것을 인식하려면 상당한 노력이 필요하다.갈릴레이・Galilei까지, 사람들은 관성의법칙의 단순함이 숨겨져 있는 것은 「지구의(인력의) 탓이다」(일)것은 배우지 않았다.관성의법칙은 하늘의 공간에 있어서의 기본적인 물리 법칙을 정식화하는데는 좋은 생각이었다.
현재의 물리학자들은 하늘의 공간 자체가 복잡한 환경이다고 확신하고 있다.그들은 많은 복잡함을 「진공의 탓으로 하고 있다」.배경장은 하늘의 공간에 충만하고 있다.이 장소는 물리 법칙의 충분한 단순함과 대칭성을 숨기고 있다.
중성자 붕괴로 방사되는 거의 모든 전자는 왼쪽으로 감긴 스핀을 가진다.즉, 점입자인 전자의 스핀 각운동량과 직선 운동량은 반대 방향을 향하고 있다(이것이 같은 방향이라면 오른쪽으로 감기 전자가 된다).북쪽을 향해 운동하는 왼쪽 권전자(따라서 스핀은 남향)가 어떻게 보일까를 생각한다고 한다.전자보다 빠르게 북쪽을 향해 운동하는 관찰자에게 있어서는, 이 전자는 오른쪽으로 감기로 보인다.상대성 원리는 일정한 속도로 움직이는 관찰자에게 있어서는 동일한 물리 법칙이 주어진다고 하지만,"왼쪽 권전자"는 모든 관찰자가 왼쪽 권이다고 관측할 수 있는 것은 아니다.따라서 상대성 원리가 올바르다면, 왼쪽 권전자만이 약한 붕괴로부터 생긴다고 하는 것은 엄밀하게는 올바르다고는 말할 수 없다.
전자의 질량이 제로인 세계에 있어서는, 왼쪽 권전자를 식별하는 문제는 생기지 않는다.왜냐하면, 그러한 세계에서는 전자는 항상 광속으로 운동하기 위해(때문에), 관측자는 전자보다 빠르게 운동할 수 없기 때문이다.이 때, 어떠한 속도로 운동하고 있어도 모든 관측자는 전자의 권의 방향을 같을 향해에 관측할 것이다로 여겨진다.이 경우, 전자가 왼쪽 권인 것은 상대성 원리와 모순되지 않는 가능한 물리 법칙이 되기 위해, 약한 붕괴에 대해 왼쪽 권전자만이 방사될 수 있다.
우주는 전자의 질량이 제로인 것으로 전자가 왼쪽으로 감긴 봐인 단순한 것에 가까울 것이라고 말하는 힌트를 자연은 주고 있다.진공 자신이 그 단순함의 차이의 원인일 것이다.전자에 질량을 주어 그 속도를 광속보다 늦게 하는 것에 관여하는, 모든 공간으로 가득 차 있는 배경장이 존재하는 것을 상정할 수 있다.이 질량을 생성하는 장소가 힛그스장이다.
그 아이디어의 가장 직접적인 검증은 배경 힛그스장을 가정하는 물리와 가정하지 않는 물리를 비교하는 것 있을것이다.불운한 일로, 배경 힛그스장을 지운다고 하는 가정은 실용적이지 않다.그렇지만, 힛그스장의 작은 흔적을 없애 관측하는 것은 곧바로 가능하게 완만할 것이다.실험적인 증거가 없었다고 해도 많은 물리학자는 힛그스장의 개념은 존재해, 사람이 보다 완전한 세계를 상상해 힛그스장을 우리가 사는 세계에 체계적으로 관련짓는 것을 가능하게 하고 있는 것을 확신하고 있다.
약한 상호작용은, 모든 기본적인 페르미 입자가 왼쪽으로 감긴 형태를 취하는 것을 좋아하는 경향이 있다.만약 힛그스장이 소멸하면, 모든 페르미 입자는 질량을 가지지 말고 있을것이다.왼쪽 권입자만이 약한 상호작용에 관여하는 것은 엄밀한 법칙으로서 있을 수 있다.이 힛그스장이 존재하지 않는다고 하는 상상상의 우주와 달리, 현재, 우주에 널리 배경 힛그스장이 퍼지고 있으면 가정하고 있다.이 배경 힛그스장과 입자의 상호작용은 입자에 질량을 주지만, 거기에 따라 그러한 입자의 약한 상호작용이 바뀔 것은 없다.그 약한 상호작용은 여전히, 페르미 입자가 왼쪽으로 감긴 형태를 취하는 것을 좋아한다.계산에 의하면, 조건에 의해서, 배경 힛그스장은 그 스핀의 반전을 일으킬 수 있는 일이 시사되고 있다.그 때문에, 약한 상호작용은 왼쪽 권입자를 좋아한다고 하는 근사적인 법칙은 엄밀한 법칙을 encode 한다.
배경 힛그스장은 우주의 어느 점에서도 같은 값을 가질 것이다.왜냐하면, 먼 곳의 은하로부터의 빛은 지구상에서 관측하면 모두 같은 스펙트럼선을 포함하고 있는 것은, 전자는 우주의 어느 점에서도 같은 질량을 가지는 것을 나타내고 있기 때문이다.만약 전자가 힛그스장으로부터 질량을 얻는다면, 그 자리는 모든 장소에서 같은 강도를 가지고 있는 것이 시사된다.
자석을 가열하면 소자 된다.그 전자는 공간안의 어느 특정의 방향도 인식하지 않고, 그 계는 완전에 대칭이다.그러나, 그것을 냉각하면 전자는 그러한 스핀 사이에 일하는 힘에 의해 그 스핀축을 갖춘다.이 공간의 방향에 대한 완전한 대칭성은 자발적 대칭성의 파괴에 의해서 부수어진다.대칭적인 힘에는 비대칭적인 해가 주어지고 있다.물리 법칙은, 그것들이 더 안정에 실현되었을 때보다 대칭성이 높다.
물리학자는 유사한 효과가 우주에 퍼지는 배경 힛그스장에도 일하고 있으면 상상하고 있다.「우리의 진공은 왜 더 하늘은 아닌 것인지?」라고 하는 의문에의 대답은, 「하늘인 것은 불안정하기 때문에」라고 하게 된다.
전자장은 전하의 큰 입자의 근처로는 큰 것과 같이, 힛그스장은 무거운 입자의 근처로는 커질 것이다.예를 들면, 가까운 장래에 가속기에 의해서 방대하게 생산되게 되어 있는 Z보손의 근처로는 힛그스장은 바뀐다.Z보손은 불안정하고, 그것이 보다 가벼운 입자에 붕괴할 때는, 힛그스장에 일어나는 요란은 Z보손 때와는 다른 형태가 될 것이다.이 때, 힛그스장 자신중에서 운동하는 요란은, 외측에 전파 하는 에너지의 작은 결정되어, 즉 히그스 입자의 형태가 되어 나타난다.히그스 입자와 넓게 널리 퍼진 질량을 생성하는 힛그스장의 관계는, 광자와 전자장의 관계와 같은 물건이다.
우주의 역사의 초기는, 기본 입자는 질량이 없고, 세계를 기술하는 분 정도식은 보다 단순하고 대칭성이 높았다.
출전
- ^ Reucroft, Stephen (1999년 10월 21일). "What exactly is the Higgs boson?". Ask the Experts. Scientific American. 2012년 7월 8일 열람.
- ^ Barrow, John D. (2001). Coles, Peter. ed. The Routledge Companion to the New Cosmology. London: Routledge. p. 300.
- ^ Higgs, P. W. (1964). "Broken Symmetry, Massless Particles and Gauge Fields". Physics Letters 12: 132□133.; Higgs, P. W. (1966). "Spontaneous Symmetry Breakdown Without Massless Bosons". Physical Review 145: 1156□1163.
- ^ Castmore, R.; Sutton, C. (1992). "The Origin of Mass". New Scientist 145: 35□39.; Nambu, Y. (1992). "A Matter of Symmetry: Elementary Particles and the Origin of Mass". The Sciences 32 (May/June): 37□43.; LaChapelle, J. (1994). "Generating Mass Without the Higgs Particle". Journal of Mathematical Physics 35: 2199□2209.
- ^ Jammer, Max (2000). Concepts of Mass in Contemporary Physics and Philosophy. Princeton University Press. p. 162.
- ^ Jammer (2000), p. 163 및 거기로 거론되고 있는 출전.
- ^ Veltman, M. J. G. (1986). "The Higgs Boson". Scientific American 255 (November): 88□94.; M・J・G・벨트 맨 「힛그스・보손은 실재할까」 「별책 사이언스」85, 후지이 아키히코(편), 후지이 아키히코((뜻)이유), 일경 사이언스, 1987년.ISBN 4-532-06685-9。
- ^ Gerard Piel, The Age of Science: What Scientists Learned in the 20th Century (New York: Basic Books, 2001) 160
- ^ Tony Rothman, and George Sudarshan, Doubt and Certainty: (Cambridge, MA: Perseus Publishing, 1998) 238, Questia, Web, 13 Jan. 2012.
- ^ Piel 180
- ^ Mendel Sachs, Relativity in Our Time: From Physics to Human Relations (London: Taylor & Francis, 1993) 155-156
- ^ Frank Wilczek, and Betsy Devine, Longing for the Harmonies: Themes and Variations from Modern Physics (New York: W. W. Norton, 1988) 240-246
외부 링크
- 소립자 이론의 대예언-고에너지 가속기 연구 기구
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