연구성과

물리 김범준 교수팀, 우주 탄생의 비밀 밝힐 힉스 입자, 응집 물질에서 찾았다

2017-05-181,309

[세계 최초로 이차원 양자 자석에서 힉스 입자의 붕괴 과정 관측]

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힉스 입자는 신이 모든 생명체에게 생명을 부여하듯 소립자에 질량을 부여해 ‘신의 입자’라는 별명을 가지고 있다. 소립자는 힉스 입자의 붕괴를 통해 질량을 갖는다. 때문에 힉스 입자를 증명하기 위해서는 붕괴 과정의 규명이 중요하다. 이 과정에서 우주 기원의 수수께끼를 풀 수 있을 것으로 기대된다. 국내 연구팀이 이차원 전자계에서 힉스 입자를 처음으로 관측했다. 이는 입자 물리에 대한 이해가 작은 실험실에서 구현됐다는 점에서 큰 의미가 있다.

물리학과 김범준 교수팀이 네이처가 발간하는 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’지를 통해 이차원 양자 자석에서 힉스 입자를 관측하고 그 붕괴과정을 밝혀내는데 최초로 성공했다고 밝혔다.

점이나 면 같은 저차원계에서는 힉스 입자가 특히 빨리 붕괴되기 때문에 관측하기 어렵다. 입자물리에서 힉스 입자는 직접 관측되는 것이 아니라 그 붕괴 잔해를 통해서 확인할 수 있어 붕괴 과정의 연구는 곧 힉스 입자 발견의 토대가 된다. 하지만 지금까지 응집물리 분야에서 이를 직접 다룬 연구결과는 아직 없었다.

연구팀은 물질 내 스핀파*1의 개형*2 분석 실험을 통해 그래핀(Graphene)과 같이 단일 층만으로도 물성이 완성되는 이차원 양자 자석에서 스핀파의 가로 방향 진동을 관측하고 이 힉스 입자가 한 쌍의 종파(縱波)로 붕괴된다는 사실을 밝혀내는데 성공했다.

연구를 주도한 김범준 교수는 “힉스 입자의 붕괴과정이 응집물리 분야에서 관측된 것은 이번이 처음”이라며 “특히, 우주의 탄생을 밝히는 힉스 입자 관측이 대형 인프라 없이 작은 실험실에서 구현됐다는 점에서 높은 평가를 받고 있다”고 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 독일 막스플랑크 연구소와 공동연구로 수행됐다.


1. 스핀파(Spin Wave)
강자성체 등의 스핀이 질서 있는 배열을 이루는 결정 속에서 바닥상태에서 들뜬 상태로 전이하면 스핀 배열이 흐트러짐에 따라 발생한다고 생각되는 파동

2. 개형(Abstract Shape)
결정체 안의 공간이 결정면에 의하여 완전히 둘러막히지 않은 형태의 결정형