4장: 소립자 1. 전자와 그 형제들 2. 핵을 구성하는 물질 3. 힘을 매개하는 입자

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1 4장: 소립자 1. 전자와 그 형제들 2. 핵을 구성하는 물질 3. 힘을 매개하는 입자
(소립자 가속기 LHC 가 있는 CERN 연구소 전경) 1. 전자와 그 형제들 2. 핵을 구성하는 물질 3. 힘을 매개하는 입자

2 1. 전자와 그 형제들 물질의 구성입자 원소 주기율표 우리 주변 세상의 물질은 원자로 이루어져 있다.

3 ? 원자 속으로 여행 1. 전자와 그 형제들 100억 분의 1 m = 1/10,000,000,000 m

4 물질의 구성입자 원자는 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵과 이루어 졌다 .
1. 전자와 그 형제들 물질의 구성입자 원자는 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵과 이루어 졌다 . 양성자와 중성자는 쿼크와 글루운이라는 입자로 이루어 졌다. 전자와 쿼크를 구성하는 더 근본입자가 있는가? 현재까지 알려진 기본 입자의 상호작용은 중력, 강력, 약력 그리고 전자기력이 있다. 현재까지 밝혀진 물질 구성 입자는 6개의 렙톤이라 불리는 경입자와 6개의 쿼크이다.

5 1. 전자와 그 형제들 표준모형(Standard Model) 표준모형은 현재 알려진 (중력을 제외한) 상호작용과 기본입자의 특성을 거의 완벽하게 기술하는 상대론적 양자장 이론이다..

6 1. 전자와 그 형제들 표준모형과 관련된 노벨상 1965 Feynman, Schwinger & Tomonaga QED (양자전자기학) 이론 확립 1969 Gell-Mann 쿼크모형 확립 1976 Richter & Ting J/ψ 입자 발견 1979 Glashow, Salam & Weinberg 표준모형이론 확립 1980 Cronin & Fitch CP 대칭성 깨짐 발견 1984 Rubia & Van der Meer W, Z 게이지 입자 발견 1988 Lederman, Schwarz & Steinberger 중성미자의 맛깔구조 발견 1990 Friedman, Kendall & Taylor 양성자의 쿼크 구조 규명 1992 Charpak MWPC 발명 (하전입자검출기) 1995 Perl & Reines 타우 경입자 / 중성미자 발견 1999 ’t Hooft & Veltman 표준모형의 재규격화 2002 Davis, Koshiba & Giaconni 宇宙線에서의 중성미자/천체물리 2004 Gross, Politzer & Wilczek QCD의 점근적 자유도 2008 Nambu, Kobayashi & Masakawa 자발적 대칭성 깨짐/CP 비보존 이론

7 물질구성입자 : 렙톤(경입자) 1. 전자와 그 형제들
렙톤에는 전자와 같은 전하의 뮤온과 타우가 있고 각각의 하전 입자의 짝인 중성인 전자, 뮤온, 타우 중성미자들이 있다. 렙톤은 강한 상호작용은 없이 전자기와 약한 상호작용을 한다. 현재 도달한 해상도까지는 렙톤은 구조가 없는 점 입자이다.

8 뮤온(muon, 1936) 전자와 질량만 다르고 모든 성질이 동일하다.
1. 전자와 그 형제들 뮤온(muon, 1936) 전자와 질량만 다르고 모든 성질이 동일하다. 뮤온은 수명이 약 10-6 초로 붕괴되면 전자와 검출하기 불가능한 중성미자들이 나온다. 현재 도달한 해상도로는 렙톤은 구조가 없는 점 입자이다.

9 타우(tau, 1977) 1975년에서 1977년까지 일련의 실험으로 펄이 발견하였다.
1. 전자와 그 형제들 타우(tau, 1977) 1975년에서 1977년까지 일련의 실험으로 펄이 발견하였다. 전자보다 약 3000배 질량이 크지만 모든 성질은 전자와 뮤온과 동일하다. 타우는 뮤온이나 전자 또는 하드론 입자로 붕괴하는데 항상 타우 중성미자가 나온다. 타우입자의 붕괴과정을 나타내는 도식

10 1. 전자와 그 형제들 중성미자(neutrino, 1930/1956) 파울리가 베타붕괴과정이 에너지, 선운동량과 각운동량을 보존하도록 제안한 중성인 입자이다. 1956년 코엔과 라이네스가 역 베타붕괴과정을 통해 원자력 발전소에서 나오는 반 중성미자를 발견함 모든 중성미자는 질량이 매우 작고 전하를 없어 약한 상호작용만 하므로 물질과 거의 반응하지 않으므로 검출하기 매우 어렵다. 베타(beta) 붕괴과정 역 베타 붕괴과정

11 1. 전자와 그 형제들 입자와 반입자 특수상대론과 양자이론을 모순 없이 결합한 상대론적 양자장 이론에 따르면 모든 입자에는 질량이 같고, (있다면) 전하의 부호가 반대인 반입자가 존재한다. 반입자인 존재는 1928년 디랙(Dirac)이 의해 이론적으로 예측되었고, 전자의 반입자인 양전자는 1932년 엔더슨(Anderson)이 실험적으로 발견하였다. 엔더슨의 구름상자의 양전자 검출사진 전자와 양전자 쌍 생성 과정

12 전자와 양전자 1. 전자와 그 형제들 전자와 양전자가 만나면 사라지면서 두 개의 감마선 광자가 나온다. 전자-양전자 쌍 생성
전자-양전자 쌍 소멸 전자와 양전자가 만나면 사라지면서 두 개의 감마선 광자가 나온다.

13 디락(1902-1984) 1. 아인슈타인과 특수상대론 영국 출신의 이론물리학자 아인슈타인 이후 가장 위대한 과학자 중 한 명
소심하고 말이 없으며 수줍음이 많기로 유명함 특수상대론과 양자역학을 결합하여 상대론적 양자역학 및 양자장론을 창시 상대론적 양자역학에서 전자의 기본 방정식을 디락 방정식이라 한다

14 1. 전자와 그 형제들 질문: 전하의 운동량 0.1 T의 자기장이 거품상자에 수직으로 걸려있고 전하가 q=-e 인 입자가 반경 0.53 m의 원궤도 운동을 하고 있다. 이 전하의 운동량을 구하라.

15 1. 전자와 그 형제들 질문: 빛의 파장 전자와 양전자(질량 MeV/c2)가 만나면 두 개의 광자로 바뀐다. 이때 나오는 빛의 파장은 얼마인가? 또, 양성자와 반양성자가 소멸하여 생기는 광자의 파장은 얼마인가?

16 2. 핵을 구성하는 물질 핵을 구성하는 입자 핵은 양성자와 중성자 그리고 이들을 묶어주는 파이온이 있고 이 외에도 수 많은 입자가 발견되어 왔다. 양성자나 중성자 같은 페르미온은 배리온 (baryon, 중입자)이라 하며, 파이온과 같은 보존은 메존 (meson, 중간자)라 한다. 이 둘을 통틀어 하드론 (hadron, 강입자)라고 한다.

17 하드론 (hadron) 하드론은 전자기와 약력과 더불어 강력이 작용한다. 이 강한 상호작용 때문에 대부분의 수명이 매우 짧다.
2. 핵을 구성하는 물질 하드론 (hadron) 하드론은 전자기와 약력과 더불어 강력이 작용한다. 이 강한 상호작용 때문에 대부분의 수명이 매우 짧다. 1960년대 초에 겔만(Gell-Mann)과 즈베익(Zweig)은 하드론을 구성하는 기본입자로 쿼크(quark)를 제안하였다. 쿼크라는 이름은 겔만이 조이스 의 소설“피네간의 경야”에 나오는 Three quarks for Muster Mark!라는 구절에서 따옴

18 겔만(1929~) 미국 물리학자 1964년 쿼크 가설을 제안함. 이것이 실험으로 입증되어 노벨상 수상
2. 핵을 구성하는 물질 겔만(1929~) 미국 물리학자 1964년 쿼크 가설을 제안함. 이것이 실험으로 입증되어 노벨상 수상 그 밖에도 입자물리학에 수많은 공헌을 함 언어학에 천부적 재능이 있어서 여러 가지 물리 용어를 만들어 냄 (예: 쿼크)

19 쿼크(quark) 2. 핵을 구성하는 물질 쿼크는 혼자서 발견되지 않음 쿼크들 사이에는 강력이 작용함
쿼크는 혼자서 발견되지 않음 쿼크들 사이에는 강력이 작용함 쿼크는 양성자 전하의 2/3과 -1/3인 분수 전하를 가지고 있음 렙톤경우처럼 3세대가 존재한다. 배리온은 3개의 쿼크로 메존은 쿼크와 반쿼크로 이루어짐

20 2. 핵을 구성하는 물질 양성자와 중성자 핵을 구성하는 물질로 수명이 거의 무한대인 안정된 입자이다. 전하는 +e , 스핀은 ½ 그리고 질량은 GeV/c2 이다. 양성자는 두 개의 전하 +2e/3 인 u 쿼크와 하나의 전하 -e/3 인 d 쿼크로 구성되어 있다. 핵을 구성하는 물질로 전하는 영이고, 스핀은 ½ 그리고 질량은 GeV/c2 으로 양성자보다 약간 더 무겁다. 중성자는 d 쿼크 하나와 d 쿼크 두 개로 구성되어 있다.

21 중성자 붕괴 2. 핵을 구성하는 물질 중성자는 핵 밖으로 나오면 불안정한 물질이 된다. 중성자의 수명은 약 15분이다.
핵의 베타붕괴는 핵 속에서 중성자가 양성자, 더 근본적으로는 d 쿼크가 u 쿼크로 바뀌는 과정이다.

22 반양성자와 반중성자 반중성자도 같은 실험에서 확인되었다. 2. 핵을 구성하는 물질
반양성자는 1955년 챔벌린, 세그레와 버클리의 공동 연구팀이 양성자를 구리 속의 양성자와 충돌시켜 양성자-반양성자 쌍생성 과정을 통해 발견하였다.이 반응 하나를 찾기 위해 약 4만개의 충돌을 조사했다. 반중성자도 같은 실험에서 확인되었다.

23 2. 핵을 구성하는 물질 매개입자에 의한 힘의 전달 동영상 광자를 주고 받으며 전자기력을 느낀다.

24 2. 핵을 구성하는 물질 파이온과 핵력 핵 속에서 양성자와 중성자들은 핵력으로 묶여 있다. 핵의 속박에너지는 약 400 MeV 이다. 핵력은 어떻게 작용할까? 유가와(Yukawa)는 1935년 핵을 묶는 강력을 매개하는 입자를 제안하였다. 핵의 크기로부터 그 입자의 질량이 약 100 MeV/c2 임을 유추함 질량이 140 MeV/c2 인 전하를 띤 입자는 1947년 발견됨

25 2. 핵을 구성하는 물질 핵력 매개입자의 질량 예측

26 파이온(pion) 파이온은 쿼크와 반쿼크가 결합되어 만들어진다. 2. 핵을 구성하는 물질
파이온은 +e, -e, 0 의 전하를 가진 세가지가 존재하며 스핀은 영인 보존이다. 파이온은 쿼크와 반쿼크가 결합되어 만들어진다.

27 스핀 1/2인 배리온 8개의 스핀 ½인 배리온 을 s 쿼크 수와 u-d 쿼크 수로 배열하면 도식과 같은 대칭 구조를 형성한다.
2. 핵을 구성하는 물질 스핀 1/2인 배리온 발견된 하드론을 u, d, s 쿼크로 구성하면 놀라운 규칙성이 나타난다. 8개의 스핀 ½인 배리온 을 s 쿼크 수와 u-d 쿼크 수로 배열하면 도식과 같은 대칭 구조를 형성한다.

28 2. 핵을 구성하는 물질 스핀 3/2인 배리온 스핀 3/2인 배리온을 배열한 도표는 위 그림과 같다. 1963년에는 꼭지점의 Ω- 입자가 발견되지 않았다. 배리온의 규칙성을 써서 이 입자의 전하와 질량을 예측하고 1964년에 바로 그 성질을 띤 입자가 발견됨

29 힘을 매개하는 입자 우리 우주에는 네 종류의 근본적인 힘이 있다. 중력, 전자기력, 약력, 강력
3. 힘을 매개하는 입자 힘을 매개하는 입자 우리 우주에는 네 종류의 근본적인 힘이 있다. 중력, 전자기력, 약력, 강력 각각의 힘을 전달하는 고유의 입자가 있다. 이들은 보존이다

30 광자 : 전자기력의 매개입자 전하를 띤 렙톤과 쿼크는 광자를 교환하며 전자기 상호작용을 한다.
3. 힘을 매개하는 입자 광자 : 전자기력의 매개입자 전하를 띤 렙톤과 쿼크는 광자를 교환하며 전자기 상호작용을 한다. 광자는 질량과 전하가 없는 기본 입자이다. 전자와 전자의 광자를 매개로 한 전자기 상호작용의 파인만 도식

31 3. 힘을 매개하는 입자 W, Z : 약력의 매개입자 약력을 매개하는 입자는 W+, W-, Z 이다. W 보존의 질량은 82 GeV/c2 이며 Z 보존의 질량은 91 GeV/c2 이 보존입자의 질량의 근원을 밝히는 것이 현재 소립자 물리의 최우선 과제다 . 중성자의 W 보존의 매개로 한 베타 붕괴의 파인만 도식

32 글루온 : 강력의 매개입자 강력을 매개하는 입자는 8개의 글루온 입자이다.
3. 힘을 매개하는 입자 글루온 : 강력의 매개입자 강력을 매개하는 입자는 8개의 글루온 입자이다. 이 스핀 1인 보존입자의 질량은 영이고 칼러전하를 지니고 있다. 중성자의 W 보존의 매개로 한 베타 붕괴의 파인만 도식

33 세계 최대 입자가속기 근본이론의 검증 : LHC 입자실험
3. 힘을 매개하는 입자 근본이론의 검증 : LHC 입자실험 세계 최대 입자가속기 프랑스와 스위스에 걸쳐있는 50여 년 전 설립된 CERN의 지하에 건설 유럽 20개 회원국이 공동으로 참여 약 80여 국가에서 여명의 물리학자들이 연구에 참여 발전소 한 개 이상 분량의 전기 사용 인간이 만든 가장 거대한 건축물 인간이 만든 가장 정밀한 실험장비 Geneva 에 TGV 가 지나가면 실험 결과가 달라지고 레만 호의 조석간만의 차이에도 영향을 받는다.

34 LHC = 거대 강입자 충돌장치 약 100m 지하의 터널에 둘레 27km의 가속기 건설 (2010년에 본격적으로 가동됨)
3. 힘을 매개하는 입자 LHC = 거대 강입자 충돌장치 제네바 공항 활주로 약 100m 지하의 터널에 둘레 27km의 가속기 건설 (2010년에 본격적으로 가동됨)

35 3. 힘을 매개하는 입자 대형 검출장치들

36 표준모형의 문제점 SU(3) X SU(2) X U(1), 중력(일반상대론) 강력 전자기 + 약력 기본입자가 너무 많다
3. 힘을 매개하는 입자 표준모형의 문제점 SU(3) X SU(2) X U(1), 중력(일반상대론) 강력 전자기 + 약력 기본입자가 너무 많다 근본 힘들 사이에 관련이 거의 없어 보인다. 실험으로 맞춰 줘야 하는 상수가 너무 많다. 그래서 보기에 충분히 아름답지 못하다. 예를 들면, 전자의 질량은 왜 하필이면 9.11 × kg 일까? 왜 쿼크나 렙톤은 하필이면 3 세대가 있을까? (만약 신이 있다면) 신은 이 세상을 창조할 때 왜 이런 숫자들을 사용했을까? 필연적인 이유가 있었을까? 등등 이 모든 숫자들을 단 하나의 원리로 정해줄 수는 없을까? 그리고, 결정적으로, 일반상대론과 양자역학을 결합하는 데 실패했다!

37 3. 힘을 매개하는 입자 암흑물질과 에너지 (1998) 우주를 구성하는 것의 96%가 무엇인지 모름!!!

38 3. 힘을 매개하는 입자 인류의 꿈 : 힘의 통일

39 4장: 소립자 단원요약 근본물질과 상호작용의 탐색 물질을 구성하는 기본입자로는 스핀 1/2인 페르미온 입자로 각각 6종류의 렙톤과 쿼크가 있다. 힘을 매개하는 입자는 보존 입자로 전자기 힘을 매개하는 광자, 약력을 매개하는 W, Z, 그리고 강력을 매개하는 글루온, 중력을 매개하는 중력자가 있다. 질량의 근원과 힘의 통일 여부를 탐색하는 것이 현재 소립자의 최대 과제이다.