양자 전기 역학(입자 물리학) 주요 개념.- 표준 모형입자.

양자 전기 역학(입자 물리학) 주요 개념.- 표준 모형입자.

양자전기역학은 근사적으로 계산할 경우 실험 결과를 잘 설명하였으나, 좀 더 정밀한 계산을 하면 계산 결과에 무한대가 나와서 수학적으로 의미가 없는 결과가 나왔다. 이 문제는 10여 년의 연구 끝에 1940년대에 재규격화 이론이 완성되면서 해결되었다. 이러한 일련의 발전을 통해 정립된 이론적 틀을 양자장론(quantum field theory)이라고 한다. 현재의 입자물리학은 양자장론을 이론적 틀로 하여 우리 우주를 설명하는 가장 궁극적인 이론을 찾는다.

한편, 1950년대에 접어들어 우주선(cosmic ray)이나 입자가속기를 이용한 연구가 활성화됨에 따라 보통 물질의 구성 요소인 원자가 아닌 다른 입자들이 발견되기 시작하였다. 처음에는 이들을 소립자 혹은 기본 입자라고 불렀으나 수백 가지 다른 종류의 입자가 발견되면서 이 입자들에 대한 체계적인 연구가 필요하게 되었다. 이 연구를 '입자물리학'이라고 부르게 되었으며 그후 계속 발전하여 현재에 이르고 있다.

입자물리학에서 현재 정설로 인정된 이론은 표준 모형(standard model)이라 한다. 이 이론은 양자전기역학을 포함하여 1960년대와 1970년대까지의 연구 결과를 집대성한 것이다. 2012년 힉스 입자가 세른(CERN)에서 발견됨으로써 최종적으로 실험 검증이 끝났다.

표준 모형

표준 모형의 기본 입자 (출처)

현재 실험적 검증까지 끝나고 정설로 인정받고 있는 표준 모형에 의하면 우리 우주는 수십 가지 종류의 기본 입자가 다양한 방식으로 결합되어 있다. 기본 입자는 크게 쿼크, 반쿼크, 렙톤, 반렙톤, 게이지 보손, 힉스 입자로 분류할 수 있다. 쿼크와 렙톤은 물질 입자로서 각각 여섯 종류가 있는데 이 종류를 맛깔(flavor)이라 한다. 그림 1은 표준 모형에서의 기본 입자를 그린 것이다. 각각의 퀴크와 렙톤에는 반입자들이 있고 이들을 반쿼크, 반렙톤이라 한다.

표준 모형에 따르면 우리 우주의 기본 상호작용에는 네 가지가 있다. 일상생활에서 흔이 경험하는 전자기력과 중력 이외에도 원자핵에서 양성자와 중성자를 강하게 묶어주는 강한 상호작용, 방사능의 일종인 베타 붕괴를 일으키는 약한 상호작용이 있다. 이들 기본 상호작용을 전달하는 역할을 하는 입자를 게이지 보손이라 하는데, 상호작용에 따라 입자가 다르다. 전자기력을 전달하는 입자는 광자, 중력을 전달하는 입자는 중력자, 강한 상호작용을 전달하는 입자는 글루온, 약한 상호작용을 전달하는 입자는 W 보손과 Z 보손이다.

힉스 입자는 질량이 없던 기본 입자들이 질량을 가지는 과정에서 나타나는 입자이다. 전자기력과 약력은 고에너지에서 전자약력이라고 부르는 하나의 같은 힘이다. 그런데 에너지가 낮으면 전자약력의 대칭성이 힉스 메커니즘이라는 과정을 통해 깨어지면서 두 힘으로 분리된다. 이 과정에서 기본 입자들이 질량을 가지며 힉스 입자가 나타난다.

입자물리학 실험

입자물리학에서 실험으로 새로운 입자를 발견하거나 이론을 검증하려면 물질을 원자핵보다 더 작은 구조까지 분석해야 한다. 그러기 위해서는 매우 강력한 에너지가 필요하다. 즉, 아주 빠른 속도로 움직이는 입자들을 목표물에 충돌시키고 거기서 발생하는 파편들을 분석하여 목표물을 재구성하는 것이다. 이를 위해 주로 입자가속기를 사용한다. 때로는 우주선이나 천체 관측 결과를 이용하기도 한다. 현재 가장 큰 입자가속기는 스위스와 프랑스의 국경에 있는 세른(CERN)의 대형 강입자 충돌기(large hadron collider, LHC)인데 둘레가 27 km에 달한다. 이 밖에 미국, 독일, 일본, 중국 등의 선진국에 입자가속기가 있다.

 

출처

[네이버 지식백과] 입자물리학 [Particle physics] (물리학백과)