고에너지 물리 소개 (High Energy) 우종관 ( 국립제주대학교 2008 SUPERCOMPUTING & KREONET / GLORIAD WORKSHOP held by KISTI 기본 입자와 기본힘 (Fundamental Particles & Forces) Quark, Lepton, & Big Bang

1. 우주의 기원과 형성 가장 궁극적이면서 고전적인 질문 2 개. i) 우주는 무엇으로 만들어졌는가 ? (Fundamental Particles) ii) 우주의 형성과정은 ? The Structure of Matter 실험적으로 이론들을 검증하는데 한계가 있음을 깨달음. 0.1m m m msize: m

고에너지 물리의 범위 고에너지 물리 원자물리  핵물리  입자물리 천문학  천체물리  천체입자물리

2. 계속되는 입자들의 발견 1930 년대 e, p, n 및 ( 뉴트리노, 중성미자 )  문제없이 핵구조를 잘 설명할 것 으로 기대.  1930 년대 말부터 새로운 입자들이 발견되기 시작하여 오늘에 이름. 세계적인 입자물리 연구소들 FNAL (Fermi Nat’l Accelerate Lab., Chicago) RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, Long Island) CERN (European Nuclear Research Center, Geneva) SLAC (Stanford Univ., San Francesco) DESY (Deutsches elektronen-synchrotron, Hamburg)

2-1, 입자의 구분 방법 3 가지. 1) Fermion: (Fermi-Dirac 통계를 따르는 입자들 ) s=(m+½) m=0, 자연수 Pauli 의 배타원리를 따름 e, p, n… Boson: (Bose-Einstein 통계를 따르는 입자들 ) s=(m) m=0, 자연수 Superposition , g, H… 2) Hadron: ( 강한 상호작용을 하는 입자들 ) - boson: Meson( 중 ( 中 ) 간자 )  (q-q)… - Fermion: Baryon( 중 ( 重 ) 입자 ) p, n (qqq) Lepton: ( 약한 상호작용을 하는 입자들 ) - e,,  3) m, s: 같은 양과 부호를 갖지만 Charge, 양자수 : 반대 부호를 갖음. PP 반입자는 문자 위에 바 (-) 를 붙임. 입자와 반입자가 만나면 서로 소멸됨. 우주가 물질로만 구성된 이유는 아직도 연구하고 있음.

2-2, 가속기란 가속기란 기본입자를 높은 속도로 가속시키는 장치로 고에너지 물리학 ( 입자 물리, 핵물리 ) 분야의 연구에 주로 이용되어왔으며 현재는 생명과학, 의학, 핵 공학, 물성물리학 등 다양한 분야에서 응용되어지고 있다. 가속기가 필요한 이유 인류의 궁극적인 질문인 우주를 구성하는 기본입자와 기본힘을 알아내기 위 해서 작은 입자들을 서로 충돌시켜서 내부 구조를 살펴보아야만 한다. 크기 (m) 결합 E ~eV ~keV ~MeV ~TeV 발견연대 발견 / 제안자 프루스트 돌턴 러더포드 러더포드 겔만 탐색수단 전자현미경 터넬링현미경 가속기

가속원리 하전입자가 자기장 전기장에서 받는 힘인 로렌쯔 힘 (Lorentz Force) 이 입자를 가속시킨다. F=q(E + v ⅹ B) 하전입자가 전기장에서 받는 힘. F=qE 가속된 하전입자가 갖는 운동에너지 KE = qV = (p 2 +m 2 ) 1/2 -m 하전입자가 자기장에서 받는 힘. F=qv ⅹ B 원운동을 함. 가속기 내에서 전자석은 빔의 진행 방향을 바꾸어서 표적으로 이동 시키거나 집속 (focusing) 하는 역할을 한다.

자기장이 B 인 곳에 전하가 q, 질량이 m 인 입자가 속력 v 로 진입하면, 그 입자의 회전반경 R=? 회전에 의한 원심력과 자기력 에 의한 구심력은 그림과 같 이 주어지고 두 힘이 평형을 이룰 경우에 하전입자는 등 속 원운동을 하게 된다. 즉 qvB=mv 2 /r 이때 회전반경은 r=mv/qB

가속기의 종류 선형가속기 : 1932 Cockcroft and Walton 800 kV 단점 : 고에너지의 경우 길이가 매우 길어야 한다. 사이클로트론 : 1929 Lawrence at Berkley 입자의 궤적이 원형, 에너지가 커지면 입자의 회전반경이 늘어남. 두 개의 D 모양의 원통 사용, 상부는 자석. 싱크로트론 : 회전반경은 유지하고 자기장과 진동수를 바꾸어 준다. LBL, r=18m 1952 CERN CERN FNAL Hambug BNL KEK ( 일본 ) 12 GeV 1971, p-e colliding 1987 IHEP ( 중국 ) p-e colliding 1988

Relativistic Heavy Ion Collider RHIC

Where do we go from here? CMS ALICE ATLAS LHC at CERN: (√s NN = 5.5TeV)

CMS, as a Heavy Ion Experiment dN/d  ~ 5000

3. 입자들의 특성과 반응 질량의 표시방법 E=mc 2  m=E/c 2 =eV/c MeV  양성자의 정지질량에너지 938 MeV/c 2  양성자의 정지질량  양성자 - 반양성자의 소멸 (-P)+P  4   - ; 전하량 보존 2*(938 MeV/c 2 )  8*(139 MeV/c 2 ) E 보존   의 붕괴   의 평균수명 2.6*10 -8 s  +   + + Spin 0  ½h - + ½h 보존 Charge 보존  + 와 는 강상호작용 (strong interaction) 을 받지 않는 물질이므로 이 과정은 약력 (weak interaction) 이 관여하는 과정임.  33 MeV/c 2 가 반뮤온  + 와 중성미자  가 나누어가질 수 있는 운동에너지의 값이다.

 + 의 붕괴   의 평균수명 2.2*10 -6 s  +  e (- ) Spin ½h ½h  ½h - + ½h conserved Charge conserved Mass (MeV), (- ) 가 동시에 생성되는 이유는 스핀양자수 보 존 때문이다.  MeV/c 2 가 붕괴과정에서 생성된 세 입자 e +,, (- ) 의 운동에너지로 공유된다.

4. Lepton ( 경입자 ) Lepton( 경 ( 輕 ) 입자 ) 는 약상호작용 (weak interaction) 하는 입자들로 e, e, , , ,  가 있다. e + target  e + ….  + target   + ….  + target   + …. -3 개의 family 만 존재 - 부피 ( 질량 ?) 없고, spin 만 존재 Leptonic # conservation ( 경입자수 보존 ); 모든 입자의 상호작용에서 알짜 lepton 수는 각각의 세대 안에서 독립적으로 보존됨. 경입자수는 L=+1 ( 경입자 ) L=-1 ( 반경입자 ) L=0 ( 경입자가 아닌 경우 )  +  e + + e + (-  ) L e L  L  * 모든 입자의 상호과정에서도 잘 맞는다.

5. Hadron ( 강입자 )  Baryon( 중입자 ), Meson( 중간자 ) Hadron: ( 강한 상호작용을 하는 입자들 ) - boson: Meson( 중 ( 中 ) 간자 )  (q-q)… - Fermion: Baryon( 중 ( 重 ) 입자 ) p, n (qqq) Baryon # conservation ( 중입자수 보존 ); (lepton 수 전하 모두 보존 되지만 현실적으로 는 발생하지 않는다. )  새로운 양자수의 도입이 필요하다. 중입자수는 B=+1 ( 중입자 ) B=-1 ( 반중입자 ) B=0 ( 중입자가 아닌 경우 ) P +  e + + e B  B# 가 보존되지 않으므로 일어나지 않음. 참고 ) 표준모형에서는 예측 못했으나 최근에 양성자 붕괴의 증거가 발견되었고, 이를 설명하려는 시도들이 있음.

6. 또 다른 보존법칙 보존되는 물리량들 : E, p, m, q, s, L#, B# +  Strangeness ( 기묘도 ) by Gell-Mann, Nishijima  새로운 양자수의 도입이 필요하다. 중입자수는 B=+1 ( 중입자 ) B=-1 ( 반중입자 ) B=0 ( 중입자가 아닌 경우 )  + + P  K + +  + S#  발생  S# 가 보존.  + + P   + +  + S#  발생 X  S# 가 보존 X. 기묘도는 강한상호작용에서만 보존된다.

7. 팔정도 (Octet, eight fold) by Gell-Mann, Neeman 1961 팔정도 [ 八正道 ] : 중생이 고통의 원인인 탐 ( 貪 ) · 진 ( 瞋 ) · 치 ( 痴 ) 를 없애고 해탈 ( 解脫 ) 하여 깨달음의 경지인 열반의 세계 로 나아가기 위해서 실천수행해야 하는 8 가지 길 또는 그 방법이다. 이것은 원시불교의 경전인 《아함경 ( 阿含經 ) 》의 법으로, 석가의 근본 교설에 해당하는 불교에서는 중요한 교리이다. 고통을 소멸하는 참된 진리인 8 가지 덕목은 ① 정견 ( 正見 ), ② 정사 ( 正思 : 正思惟 ), ③ 정어 ( 正語 ), ④ 정업 ( 正業 ), ⑤ 정명 ( 正命 ), ⑥ 정근 ( 正勤 : 正精進 ), ⑦ 정념 ( 正念,), ⑧ 정정 ( 正定 ) 이다. 원시불교아함경 -Naver 백과사전 S=1/2 인 8 개의 중입자들 S=0 인 9 개의 중간자들

8. Quark model by Gell-Mann & Zweig 1964 Quark 라 부르는 것으로 Baryon( 중입자 ) 와 Meson( 중간자 ) 이 구성된다면 팔정도가 쉽 게 이해됨을 알아냈다. S=1/2 인 8 개의 중입자들 S=0 인 9 개의 중간자들 “Quark 들의 적절한 조합으로 이해할 수 없는 특성을 지닌 중입자와 중간 자들은 어떤 것도 알려진 것이 없다. 거꾸로 중간자와 중입자에 대응 되지 않는 쿼크들의 가능한 조합 또한 없다 ”

중입자 (Baryon) = qqq ; 3 개의 쿼크 B#=(⅓,⅓,⅓)=1 중간자 (Meson) = q(-q); 쿼크 - 반쿼크 pair  +  q(u(-d))= 2/3 + 1/3 = +1 전하량 B#(u(-d))=1/3 - 1/3 = 0 B#=0+  +  - 붕괴의 새로운 이해 32 P  32 S + e - + n  p + e - + (- e ) d  u + e - + (- e ) du du

quarks leptons “force mediators” (bosons) photons: electromagnetic gluons: strong force  Z and W bosons: weak force

9. 기본힘과 기본입자 (force 에 대한 고찰 ) ; electro-magnetic interaction Pseudo photon 을 받고 나서 재빨리 돌려준다. Pseudo photon 은 서로 힘을 미치는 두 입자 사이의 상호작용을 매개 하므로 매개입자 라고도 부른다. 파동의 측면에서는 pseudo photon 을 전자기파로 해석하기도 한다.

; weak interaction W  (80 GeV, 전하 =  e), Z 0 (91.2 GeV, 전하 =0) 라 부르는 질량을 가진 보 존 (boson) 입자에 의해서 매개된다. W 를 charged current ( 전하류 ) z 를 neutral current ( 중성류 ) 라고도 부른다. 전자기힘 (electromagnetic force) 과 약힘 (weak force) 는 electroweak force 로 통합됨 ; 즉 전자기힘과 약힘은 약전자기힘의 각기 다른 두 가지 특성임이 밝혀졌다. W  Z 의 확인 : 1983 년 Carlo Rubbia avec Big Accelerator (2  r=7km) at CERN. Weak Interaction 의 예 : K L   0 (- ) 붕괴에 대한 표준모형 diagrams: KEK J-Parc E-14

; strong interaction 강력 (strong force): 쿼크들 사이에 작용해서 강입자들을 묶는 힘. 강력의 매개 입자는 gluon( 글루온 ) 으로 g (m=0) 로 쓴다. Quark 는 3 개의 color flavor( 맛 ) 로 되어있음. Red R (-R) Yellow Y (-Y) Blue B (-B) 입자의 색이 무색일 때만 실제 관측이 가능하다. 예 ) Baryon 인 양성자 p(uud), p(uud) 또는 p(uud) 는 무색. Meson 인  (ud),  (ud),  (ud),  (ud),  (ud),  (ud) 등은 관측 불가. 실제로 진공중에 서  중간자는 수명이 2.6*10 -8 s 정도로 핵 내에서 만 안정적으로 존재함. 양자색소역학 (Quantum Chromatic Dynamics; QCD) 색력 (color force): 쿼크 사이에 작용하는 힘이다. - 양자전자기학 (Quantum Electro Dynamics; QED) 와 비교

Need a tool : QCD, Machine  QCD is the theory of the strong interaction - describes the properties of hadronic matter - quarks(up, down, strange, charm, bottom, top) and gluons (red, green, blue) - forces between quarks : exchange of gluons - gluons can interact with gluons  Confinement : free quarks not observed in nature  De-confinement : Quark-Gluon Plasma - At large energy(or baryon density) a phase transition is expected from a state of nucleons containing confined quarks and gluons to a state of “deconfined” (from their individual nucleons) quarks and gluons covering a volume that is many units of the confinement length scale ; the first few MICROSECONDS ! High Energy Nucleus-Collisions provide the means of creating Nuclear Matter in conditions of Extreme Temperature and Density baryon meson

대통일장이론의 완성 ( 이루지 못하고 타계 ) GUT: Grand Unification Theory (E+W+S) CUT: Complete Unification Theory (GUT+Gravity)

10. 팽창하는 우주 & Big Bang 우주의 Red shift( 적색편이 )  우주가 팽창함을 의미 년 Hubble 이 적색편이 관측을 근거로 우주팽창을 주장. V=Hr H: 허블상수 =72 km/(s*Mpc) = m/(s * 광년 ) r: 은하부터 지구까지의 거리 Mpc=3.26*10 6 광년 T= r/V = r/(Hr) =1/H T  12*10 9 year ~15*10 9 year 팽창을 바탕으로 시간을 거꾸로 진행하면 초기에 우주는 점이었고, 이때 큰 폭발 (big Bang) 과 함께 팽창하기 시작했다고 추론할 수 있음.

Very early in the universe, quarks and gluons were free in a plasma state. History of Universe As the universe cooled, they were confined and have remained that way since. time Energy Experimental heavy ion physicist

1965 년 A.Panzias 와 R.W.Wilson 발견 ; 우주의 모든 방향에서 같은 강도로 들어오는 0.1 ㎜ ~20 ㎝ (±0.01%) 의 마이크로파로 2.7K ( － ℃ ) 의 흑체복 사에 해당. 우주에 충만된 전파의 배경으로 추종됨. M.Plank 의 법칙에 의하면 약 400/1 ㎤ 개의 빛알 (photon) at Universe. 이는 물질입자 ( 양성자 ) 의 밀도의 약 10 9 배  우주의 현재 온도가 주로 이 복 사에 의하여 결정되었음을 암시. 양성자 우주의 팽창이 대폭발 (Big bang) 에서 시작되었다는 우주론과도 일치.

11. 암흑물질 (Dark Matter) Galaxies 에 있는 물질을 직접 관 측함으로써 dark Matter 의 존재 를 알 수 있다. V obj 2 = GM/R M >> M visible 우주의 약 90~99% 질량이 관측 되지 않고 있음  이를 암흑물질 (Dark Matter) 라 부른다. 대부분이 galactic halo 에 있을 것으로 추정.

Dark Matter Candidates 9* M ⊙ (10 -5 eV, Axion) < M DM < 10 4 M ⊙ (Black hole) * Baryonic Dark Matter MACHO: ( M ⊙ <M BD <10 M ⊙ ) -brown dwarfs:( M BD <0.08 M ⊙ ) -Jupiters : (~0.001 M ⊙ ) Neutral Hydrogen and molecular clouds * Non-Baryonic Dark Matter Hot type: (V ≥ c/100) -light neutrino Cold Type:(V ≤ c/100) -WIMP: (10GeV ~ few TeV) -axion (10 -5 eV)

Neutralino (candidate for WIMP) MSSM predicts the neutralino that is consisted of supersymmetric partners of photons, Z bosons and Higgs. Neutralios (WIMP) are localized in the galactic scale..

Direct detection Method Recoil Energy E R = ~200KeV for 100 GeV WIMP Expected events rates = ~100 to #/day/kg

Summary 적색편이  우주팽창  Big Bang 우주배경복사 암흑물질 quarks leptons “force mediators” (bosons) photons: electromagnetic gluons: strong force  Z and W bosons: weak force 기본입자와 기본힘 Gravity -  graviton +