[논문] 전혀 다른 우주 종말의 시나리오: 힉스 입자 potential 문제 (주의:재미없음)

아래 내용을 보기 전에는 이 또 무슨 말도 안되는 이야기 아닐까 했지만, 채널이 과학쿠키이기 때문에 적어도 과학적 논리는 있겠지 하고 봤는데요.

내용을 보시면 이해할 수도 있겠지만, 이런 내용입니다. 물리학 배경지식이 조금 필요한데요:

• 이 세상 모든 물질은 소립자로 구성되어 있습니다.
• 
• 물질을 구성하는 기본 입자는 크게 페르미온(쿼크와 렙톤)과 보손(boson)으로 나뉩니다.
• 
• 그리고, 다른 입자들에게 질량을 부여하는 힉스 입자(Higgs Boson)가 있습니다. 힉스 입자는 힉스 장(Higss Field)와 관련된 입자입니다. 입자들은 힉스 장과 상호작용하여 질량을 얻습니다. (힉스 입자는 2012년 CERN의 LHC에서 발견되었습니다) 힉스 입자만이 모든 질량의 근원은 아니고, 입자들 간의 상호작용도 질량에 영향을 미치기는 합니다.

•  그런데, LHC* 실험에서 힉스 입자가 현재 안정적(stable) potential 상태가 아니라 준안정적(metastable)이라는 것이 발견되었다고 합니다. 아래 그림에서 현재 상태의 Higgs potential이 Our vacuum이고, 오른쪽에 Stable 상태로 가려고 할 수 있다는 겁니다. 이유는 모든 입자는 potential이 낮은 기저상태(base)로 가려는 성질이 있기 때문입니다. (아래 그림을 에너지 준위로 그렸다면, Stable과 Metastable을 서로 반대로 그리는 것이 맞지 않나 하는 생각도 듭니다)
• 
• 위 그림의 주석을 보면, 우리의 우주의 ground state(기저 상태)는 Higgs field의 potential에 달려있고, true vacuum state에 있게 된다면 안정적 상태가 됩니다. 하지만, 좀 더 낮은 기저상태가 존재한다면 현재 vacuum은 false이고, 따라서 우주는 true vacuum state로 파멸적 양자 터널링에 의해 옮겨갈 수 있습니다. (여기서 vacuum은 우리가 아는 진공과 다른 개념입니다)
• 다행히도, 이러한 진공 붕괴 확률 계산을 표준 모형 내에서 우리 현재 진공 상태의 수명을 직접 계싼한 결과 신뢰도 95%로 10^65년보다 길다고 추정되는데, 이는 우주의 현재 나이인 약138억년 보다 훨씬 긴 시간입니다. 그렇게 생각하는 배경에는 현재 metastable 상태가 true vacuum 상태로 가기까지는 매우 높은 에너지 장벽이 존재하고, 양자 터널링에 의한 전이 확률은 극도로 낮기 때문입니다.
• 
• 또한, 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 진공 붕괴 확률을 감소시키는 경향이 있다고 합니다. 따라서, 중력이 false vacuum을 안정화 시키는 역할을 하고 있습니다.
•  
• 위와 같은 발견은 우리가 알고 있는 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학의 필요성과 더불어, 우주의 궁극적인 운명에 대한 흥미로운 질문을 제기 합니다. 예를들면, 또 다른 빅뱅?

(* LHC는 스위스 제네바와 프랑스 오베르뉴론알프 앵(Ain) 주의 국경지대 지하에 건설된 입자가속기로, CERN이 관리하는 인류 역사상 가장 거대한 실험장치) 

https://youtu.be/3NhNGRbl2iY?si=Rd7A4V8e3cISUTox