125GeV H0는 힉스 입자가 아니라, W^+W^- 복합 입자의 첫 번째 들뜬 상태
1. 힉스 메커니즘(Higgs Mechanism)의 위기
대략 125GeV에서 힉스 보손(Higgs boson)으로 확인된 입자의 발견은 표준 모형의 위대한 승리로 선언되었습니다. 하지만, 힉스 메커니즘(자발적 대칭 깨짐+힉스장) 자체에는 몇 가지 심각한 문제들이 여전히 존재합니다.
1)계층/자연스러움 문제: 힉스 보손의 질량은 엄청난 양자 보정 효과를 받아 플랑크 스케일까지 커질 것으로 예상됩니다. 질량이 125GeV에 머물기 위해서는, 그 "원래 질량(bare mass)"이 이 보정 효과를 거의 완벽하게 상쇄하도록 믿기 힘들 정도의 정밀도로 미세 조정되어야 합니다.
2)진공 에너지 재앙: 이것이 가장 큰 문제입니다. 진공에서 0이 아닌 값을 갖는 힉스 장은 빈 공간의 에너지 밀도를 예측하는데, 그 값이 우주론적으로 관측된 값보다 대략 10^55배나 더 큽니다. 힉스 메커니즘은 진공의(힉스 장의) 에너지 밀도를 가정하지 않으면 작동하지 않습니다. 힉스 메커니즘이 요구하는 진공 에너지 밀도를 가정하면 관측과 불일치 할 뿐만 아니라, 우주는 파국을 맞습니다. 10^55의 파인튜닝은 합리적이지 않을 뿐만이 아니라, 파인튜닝을 가정하면 다시 거대한 초기 에너지의 존재라는 새로운 문제가 발생합니다. 이는 물리학자들이 반드시 해결해야 한다고 동의하는 심각한 문제입니다.
3)기타 문제들: 힉스 메커니즘은 유카와 결합 상수의 임의성, 플레이버 문제, 질량 스펙트럼의 계층성, 힉스 퍼텐셜의 임의성, 힉스 입자 질량의 임의성, 렙톤과 쿼크의 비대칭성, 암흑 에너지 문제, 진공 안정성 문제...등등, 더 많은 문제들을 가지고 있습니다.
2.가설: 질량의 대부분은 고유의 "자체 에너지"에서 온다
이 논문은 질량의 기원에 대해 고전 물리학과 미적분학에 뿌리를 둔 더 근본적인 원리를 제안합니다.
기본 입자의 질량은 입자의 자체 에너지(self-energy)로부터 기인한다.
(전자기, 강력, 약력) 전하 Q는 무한소 전하들 dQ의 집합이므로, 이들 dQ들에 의한 (전자기적, 강력적, 약력적) 퍼텐셜 에너지가 존재하게 됩니다. 동종의 (전자기, 강력, 약력) 전하들간의 퍼텐셜 에너지는 양의 에너지이므로, 게이지 전하의 존재 자체가 양의 에너지, 양의 질량을 갖게 합니다.
이 아이디어는 전하(전자기, 약력, 강력)를 가진 모든 입자는 공간(입자가 점유하는 영역; 부피)에 퍼져 있는 전하 분포로 볼 수 있다는 것입니다. 따라서, 이들 무한소 전하들간에 퍼텐셜 에너지가 존재하게 되고, E=mc^2에 따라, 이 퍼텐셜 에너지에 해당하는 등가 질량이 존재하게 됩니다. 저는 미적분학에서 파생된 이 원리가, 단지 원하는 결과를 내도록 설계된 임의의 "멕시코 모자" 퍼텐셜을 가정하는 것보다 더 근본적이라고 생각합니다.
이러한 자체 에너지 모델은 기본 입자가 질량을 갖기 위해서, 힉스 장과 같은 외부장을 필요로 하지 않기 때문에, 힉스 장의 도입으로부터 발생하는 문제들을 피할 수 있습니다.
이러한 전하의 존재로 인한 자체 에너지 모델은, 자유 렙톤에서 잘 성립하지 않는 것으로 알려져 있는 데, 이는 환경적 요인이 근원일수도 있습니다. 쿼크는 구속력을 가지므로 하드론 안에 영구적으로 구속됩니다. 또한, 다른 쿼크 및 글루온과 끊임없이 상호 작용합니다. 이러한 끊임없는 상호 작용 환경은 연속적인 "양자 측정" 역할을 하며, 이는 쿼크의 파동 함수가 국소화되도록 강제합니다. 따라서 명확하게 정의된 유효 반경이 유지됩니다.
반면에, 전자와 같은 자유 렙톤은 근본적으로 다릅니다. 쿼크와 달리, 전자는 위치를 지속적으로 국소화하는 구속력의 영향을 받지 않습니다. 그러한 힘이 없으면 파동 함수가 상당히 퍼져서 고전적이고 안정적인 반경이 불분명해지게 됩니다. 따라서 자유 전자의 질량은 QED 관점에서 더 잘 설명되는데, 여기서 "원래 질량"은 진공 분극 또는 차폐 효과로 가려집니다.
3.핵심 결과: Z0와 H0는 W+W- 복합 시스템의 바닥 상태와 첫번째 들뜬 상태
이 논문의 핵심 주장은 Z0와 H0 보손이 별개의 기본 입자가 아니라, 단일한 복합 시스템, 즉 W^+와 W^- 보손 쌍의 바닥 상태와 첫 번째 들뜬 상태라는 것입니다. 그 증거는 세 가지 독립적인 물리 원리가 이 가설과 완벽하게 맞아 떨어진다는 점에 있습니다. 또한, 핵심 결과로서, r_H ~ 2r_z ~ 4r_W의 관계, 즉 125GeV 힉스와 Z0입자 W의 반지름이 거의 정수배의 관계를 가진 다는 점에서, 이는 단순한 우연 이상의 것일 수 있음을 시사합니다.
1)전하 보존: 제안된 구성 입자인 W+(전하 +1e)와 W-(전하 -1e)가 결합하면, 순 전하는 0이 됩니다.
이는 Z0와 H0 보손 모두에서 관측된 중성 전하와 일치합니다.
2)에너지 보존: 복합 입자의 질량은 구성 입자들의 질량 합에 결합 에너지를 더한 값입니다.
두개의 W 입자가 전하를 가지고 있기 때문에, 결합 에너지는 전자기적 퍼텐셜 에너지를 가지게 됩니다. 직관적인 설명을 위해서 초기에는 전자기 퍼텐셜 에너지만을 가정하고서 결과를 유도하고, 논문에는 이것을 확장하여, 전자기 퍼텐셜 에너지와 약한 상호작용의 퍼텐셜 에너지가 같이 존재하는 상황으로 확장해서 결과를 얻습니다.
이 결과는 매우 심오합니다. H0 상태의 결합 거리는 Z0 상태 거리의 거의 두배입니다. 제가 논문에서 증명하듯이, 이 양자화된 관계는 약력을 포함하는 더 포괄적인 모델에서도 견고하게 유지됩니다(비율 ~ 1.88). 이와 같은 정수배 관계는 이 입자들이 독립적인 입자가 아니라, 동일한 시스템의 두 다른 양자 상태일 가능성을 강력하게 시사합니다.
약력을 포함하는 경우에는, 아래와 같이, 약한 상호작용의 유카와 퍼텐셜 항이 추가됩니다.
전자기력, 약력을 모두 포함한 모델에서도, r_H' ~ 2r_Z'의 관계가 대략적으로 성립함을 알 수 있습니다.
3)스핀: 결정적인 시험대는 이 모델이 Z0(스핀-1)와 H0(스핀-0)의 서로 다른 스핀을 설명할 수 있는지 여부입니다. 양자역학에 따르면, 두 개의 스핀-1 입자(W+와 W-)가 결합하면, 전체 스핀은 S=0,1,2가 될 수 있습니다. 이 모델은 다음을 제안합니다.
- Z0 (S=1): W 보손들의 스핀이 나란히 정렬된 "삼중항 상태(triplet state)". 이는 바닥 상태에 걸맞은 자연스러운 저 에너지 구성입니다.
(Spin of W+: ↑) + (Spin of W-: ↑) -->(Total Spin of Z0: S=1)
- H0 (S=0): 스핀이 반대 방향으로 정렬되어 서로를 상쇄하는 "단일항 상태(singlet state)". 이 다른 양자 구성은 자연스럽게 다른 에너지 준위(들뜬 상태)에 해당합니다.
(Spin of W+: ↑) + (Spin of W-: ↓) -->(Total Spin of H0: S=0)
4. 새로운 예측: ~135.4GeV 근처에, 두번째 들뜬 상태가 존재합니다
이 모델은 구체적이고 반증 가능한 예측을 제시합니다. 바로 W+W- 시스템의 두번째 들뜬 상태의 존재입니다. 에너지 준위 간격에 근거하여, 대략 135.4GeV의 질량을 가진 새로운 중성 공명 입자를 예측합니다. LHC나 미래의 입자 가속기에서 이 입자를 찾는 것은 이 가설의 결정적인 시험대가 될 것입니다.
+
지금까지 ~135.4 GeV 공명에 대한 확실한 신호는 보고되지 않았지만, 이는 이러한 두 번째 여기 상태의 생성 확률이 매우 낮아 관측 자체가 본질적으로 어렵기 때문일 수 있습니다. 또는 ~135.4 GeV 근처의 드문 사건들이 이미 발생했지만 엄격한 사건 선택 기준, 제한된 통계량 또는 분석 임계값으로 인해 통계적 변동으로 간주되어 무시되었거나 배경에 묻혔을 가능성도 있습니다. 따라서 실험 데이터 세트가 계속 증가하고 분석이 더욱 민감해짐에 따라, 이 질량 영역에서 발생하는 사건들을 신중하게 재검토하는 것은 복합 보손 모델의 예측을 검증하는 데 있어 여전히 근본적으로 중요합니다.
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이제 135.4GeV 근처의 새로운 입자를 예측할 수 있는 몇 가지 논리적 근거(총 5개: 1)미적분학의 원리에 따른 질량의 존재, 2)전하, 3)에너지, 4)스핀, 5)r_H' ~ 2r_Z' ~ 4r_W')가 있으므로, 이 에너지 범위에서 발생하는 사건을 더 큰 가능성의 관점에서 살펴보면 기존 데이터에 대한 대체 해석이 가능할 수 있습니다.
5. 결론
결론적으로, 이 논문은 LHC에서 발견된 125GeV 입자가 근본적인 힉스 보손이 아니라, W+W- 시스템에서 처음으로 관측된 들뜬 상태라고 주장합니다. 이 모델에서 W+, W-, Z0에 질량을 부여하기 위해서 도입된 인위적인 힉스 메커니즘은 필요치 않습니다. W+, W- 는 그들이 가지고 있는 (전자기, 약한) 전하의 존재 자체로 인해서 질량을 갖게 되고, Z0은 전하의 존재로 인한 질량과 결합에너지에 의해서 질량을 갖고 있는 상태이기 때문입니다.
만약 이것이 맞다면, 힉스 메커니즘은 불필요한 구성물이 됩니다. 이는 질량을 자체 에너지와 복합 입자 동역학이라는 더 근본적인 원리로 설명함으로써, 진공 에너지 재앙과 같은 심각한 문제들을 해결합니다.
#논문:
The Z0 and H0 Bosons as the Ground and First Excited States of a W+W− System
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