Particle physics 3 Standard model 2011.10.4 Suh, hoyoung

Outline 1. History of Standard Model 2. Standard Model

1. History of the particle physics BC 400 데모크리토스(Democritos) 가장 작으면서 더 이상 나눠지지 않는 물질 “Atoms” 18세기 말~19세기 초 돌턴(John Dalton) 물질은 유한한 수의 원자로 만들어져 있다 “원자론” 1909 장 밥티스트 페랭(Jean Baptise perrin) 콜로이드 입자의 관찰로 원자론 확증 1897 톰슨(Joseph Jonh Thompson): 음극선이 전하를 띤 ’입자’ 임을 발견, “전자“ → 원자보다 더 작은 입자의 존재, 전자는 원자의 구성 성분이다. 1895~1903 뢴트겐(wilhelm Konrad Rontgen),앙투안 앙리 베크렐(Antoine Henri Becquerel)퀴리 부부 X-ray 발견/ 방사선 발견. → 돌턴의 원자가 더 이상 쪼개지지 않는 입자라면 그 안에서 무언가 분리 되어 나오는 일은 이상한 일이다. → 방사선이 에너지를 갖고 있음으로 에너지 보존 법칙도 위배됨.

1. History of the particle physics 1903 러더퍼드 α 입자 산란 실험으로 원자 핵 발견 ‘양성자’ → “원자를 양전하를 띤 원자핵과 주위를 도는 전자들로 이루어 져 있다” 1911 보어(neals bohr) 양자역학적 설명으로 원자모형의 안정성 입증. 1925 하이젠 베르크(Werner Karl Heisenberg), 슈뢰딩거(Erwin Rudolf Josef Alexander Schrodinger) 양자역학의 이론을 수학적으로 정립. 1928 보테(Walther Willhelm Georg Franz Bothe): 알파입자를 베릴륨에 쏘아 중성의 방사성 발견. 1932 제임스 채드윅(James Chadwick) 같은 실험을 통해 베릴륨에서 나온 중성의 방사선은 감마선이 아니라 양성자 질량이 같고 전기적으로 중성인 입자임을 증명. ‘중성자’ → 전자, 양성자, 중성자의 발견으로 원자 구조가 확립되었으나 양성자와 양성자, 중성자 사이의 결합의 설명이 되지 않음.

1. History of the particle physics 메손(meson) 1935 유카와 히데키 “전자기 상호 작용을 매개하는 것이 광자이듯, 핵력을 전달하는 입자가 있을것이다” *그 입자에 대한 세가지의 해답 1. 핵의 스핀이 ½임으로 매개입자의 스핀은 0 또는 1이다., 2. 양성자-양성자, 양성자-중성자, 중성자-중성자 사이에서 작용하는 힘을 모두 매개하는 입자임으로 전하를 띈 입자와 전기적으로 중성인 입자 두 종류가 있어야 한다. 3. 핵력은 대단히 짧은 거리에서만 작용하므로 매개 입자는 질량이 있을 것이다.(질량은 전자와 핵자의 중간쯤 해당한다고 생각하여 meson이라 불림)

1. History of the particle physics 반물질(anti-matter) 1931 디락(Dirac) 양자역학을 새롭게 정리한 디락 방정식으로 부터 에너지가 음수 해가 나오는 것을 확인, 이를 전자와 모든 면이 같고 전하는 반대인 입자라고 결론내림. 1932 칼 데이비드 앤더슨(Carl david anderson) 우주선으로부터 반입자 측정. “양전자(positron) 발견” 1936 칼 데이비드 앤더슨(Carl david anderson) 우주선에서 전자보다 200배 무건운 입자 발견, meson이라 여겨졌으나 ‘뮤온(muon)’으로 밝혀짐 * 뮤온(muon): 전자보다 질랑이 200배 무거운것을 제외하고는 모든 성질이 전자와 같다.

1. History of the particle physics 새로운 입자들의 홍수 1947 세실 프랭크 파웰(Cecil Frank Powel) 우주선으로부터 “파이온” 발견 ‘유카와’가 예언한 ‘meson’ 1947 딕슨 로체스터(George Dixon Rochester), 클리퍼트 찰스 버틀러(Cliffoed Charls Butler) 우주선에서 “케이온(kaon)” 1948 유진 가드너(Eugen Gardner) 가속기에서 알파입자를 탄소원자에 충돌시켜 인공적으로 파이온을 만듦. 1950년 버클리의 사이클로트론에서 전기적으로 중선인 파이온이 2개의 광자로 붕괴하는것 발견. 1955년 에밀리오 지노 세그레, 오언 체임벌린 베바트론(Bevatron)에서 반양성자의 존재 확인

1. History of the particle physics 쿼크(quark) 1961 머리 겔말( Murray Gell-Mann) 입자들은 SU(3) 이론으로 정리 → 8중항 또는 10중항이 3중항으로 이루어졌다고 생각. 그러나 3중항을 이루는 입자는 분수의 전하를 갖는다. SU(3)군의 3중항을 이루는 세 종류의 입자를 쿼크라 하고 각각 업(up), 다운(down), 기묘(strange)라는 이름을 붙임 쿼크가 페르미온(spin ½) 이면 메손이 보존이 되고, 바리온이 페르미온인 이유도 설명이됨. *그러나 아직 쿼크라는 것이 실제 입자인지에 대해서 의심하고 있었다.

1. History of the particle physics 약한 상호작용 1920 년까지 원자핵이 베타선을 방출하고 원자핵의 원자 번호가 하나 증가하는 배타 붕괴에 대해 설명하지 못함. 배타선 붕괴가 일어나면, 원자량은 거의 변하지 않는다. 베타 붕괴에서 나온 전자의 에너지는 특정한 값이 아니라 다양한 값을 갖는다. 이것은 에너지 보존에 위배되는 것으로 보였음 파울리: 보이지 않는 다른 입자를 생각해서 위 현상을 설명 1933 페르미 파울리 입자를 바탕으로 베타 붕괴에 대해 전기력도, 중력도 아닌 새로운 힘, 즉 새로운 상호 작용을 도입 이 새로운 상호 작용은 중성자를 양성자로 바꾸고 멀리 떨어진 곳에서 작용하지 않음. 전자기력의 1/1000 정도의 크기라 약한 상호작용으로 불림. 파울리 입자를 ‘뉴트리노’ 라 불렀다 1956 클라이드 코원(clyde Cowan)과 프레더릭 라이서스(Frederick Reines): 베타 붕괴의 역작용을 중성미자의 존재를 확인.

1. History of the particle physics 약한 상호작용 약한 상호작용이 매주 짧은 거리에서만 작용하는 것은 입자가 질량을 가져야 한다는 것. 그러나 게이지 입자가 질량을 가지면 게이지 대칭성과 재규격화 문제가 생김. 1964 피터 힉스(Peter Higgs) 초전도 현상에서 착안해, 만약 스칼라장이 가장 낮은 에너지 상태에 보스 응축되었는데, 그 상태가 대칭성이 깨진 상태라면, 이론의 게이지 대칭성을 깨지지 않은 채로, 자연 현상을 대칭성이 깨진 것처럼(게이지 입자가 질량을 가진 것처럼) 보일수 있다. 이를 ‘힉스 매커니즘’ 이라 하고 이때 반드시 전기적으로 중성이면 스핀이 0인 입자가 나타나야 한다 ‘힉스 입자’ 1967 스티븐 와인버그: 전자기-약 작용(electroweak interaction) 와인버거-살람 모형 약한 상호 작용과 전자기 상화 작용을 통일적으로 기술하는 논문 “렙톤의 모형” 발표 현재 우리가 알고 있는 표준 모형 거의 그대로이다.(아직 쿼크가 실제 입자로 생각하는 사람이 많지 않아서 논문에는 쿼크에 대해 다루지 않았다) 약상 상호작용을 만들어내는 게이지 입자를, 전기를 띤 W 보손 한쌍과, 전기를 갖지 않은 Z 보손 하나로 정리. W 보손과 Z 보손은 힉스 메커니즘에 따라 게이지 대칭성이 깨지며 질량을 갖음. 이때 SU(2) 게이지 입자와 U(1) 게이지 입자가 서로 섞이면서 질량이 있거나(Z 보손) 또는 질량이 없는 중성의 게이지 입자가(광자) 나온다. 빛이 질량이 없다는 사실은 U(1) 만큼의 게이지 대칭성이 깨지지 않고 남아있다는 것을 의미하고 이것이 바로 전자기 상호 작용이다. .

1. History of the particle physics 강한 상호작용. 쿼크의 개념으로 잘 설명이 되었으나 분수전하 및 파울리 배타원리등의 문제가 발생. 예를 들어, 델타 비리온은 스핀이 같은 업 쿼크3개로 이주어 져 있는데 이는 배타원리에 위배됨. 1965 한무영, 난부 요이치로 또하나의 SU(3) 대칭성이 하드론의 배후에 들어 있을것을 추론, 이 대칭성에 해당하는 양자수를 ‘참 수(charm number)’이라 부름. 1971머리 겔만, 하랄트 프리슈: 한무영과 난부 요이치로가 참수라고 부른 양자수를 ‘색깔(color)’이라고 불렀다. 모든 쿼크는 세가지 색깔중 하나를 갖고, 모든 물리적 상태를 바꾸는 SU(3)변환에 대해 변하지 안는다고 가정. 쿼크는 삼원색(빨강, 초록, 파랑)을 갖고, 반쿼크는 그 보색을 갖도록 한다. 그러면 메손(쿼크+반쿼크=무색), 바리온(3개의 쿼크=빨강+초록+파랑=무색) 곧 SU(3)변환에 대해 변하지 않음. 1974년 새뮤얼 팅, 버튼 릭터 네 번째 쿼크(J/ψ) 발견, 쿼크를 실존 입자로 받아드리게 됨. 참이 필요한 것을 전자가 한 state에 두개의 전자가 존재하기 위해 spin이라는 개념이 필요했던것 과 같은 원리다.

1. History of the particle physics 양성자의 구조 1966 리처드 파인만: 양성자가 어떤 작은 입자(parton)으로 이루어 져 있다고 생각.이 파톤들은 매우 작고 빠른 속도로 양성자 안에서 돌아 다닐수 있는 존재라고 생각. 낮은 에너지의 충돌에서 양성자 덩어리와 충돌하지만, 높은 에너지의 입자는 파톤의 조각 들과 충돌하게 된다. 전자 충돌 실험 결과 파톤들은 쿼크들과 그루온 이었으며눈에띄는 것은 2개의 업 쿼크와 1개의 다운쿼크이지만 파톤은 모든 쿼크들 또는 글루온 일수도 있었다. 심층 비탄성 산란결과 쿼크는 글루온으로 강하게 접착된 형태가 아닌 자유롭게 돌아다니는 입자처럼 보인다. 양자역학의 효과로 입자들은 끊임없이 생겨났다가 사라지기를반복한다. 쿼크들은 항상 쌍으로 만들어 졌다가 소명하기 때문에 ‘맛’은 드러나지 않는다. 선형 가속기: 전자를 에너지 손실 없이 가속시킬수 있다. 전자기력보다 강한 힘으로 쿼크들을 붙잡아 두지만 실제로 쿼크들은 자유롭게 움직이는것 처러 보이는 형국

1. History of the particle physics 양성자의 구조 파톤 분포확률 양성자 에너지에 대한 파톤 에너지의 비율

2. Standard Model 표준 모형 표준 모형에서 물질의 기본 입자는 쿼크와 렙톤이다. 쿼크와 렙톤의 상호작용은 게이지 이론으로 기술. 강한 상호작용: SU(3) 게이지, 8개의 게이지 입자 글루온이 필요 전자기-약 상호작용: SU(2)*U(1) ,4개의 게이지 입자필요 힉스메커님즘에 따라 게이지 대칭성이 깨지더라도, 빛은 질량이 없음으로 여전히 U(1) 대칭성만 남고 빛만 남게 된다.

2. Standard Model 표준 모형의 한계 중성미자의 질량 중력 암흑물질의 존재를 설명할 수 없다 우리가 사는 세계는 물질로 이루어 졌다. 이것은 물질관 반 물질 사이에 대칭성이 깨진것인데 이것에 대해 표준 모형으로 설명할 수 없다. 표준 모형에는 19개의 변수가 있는데 표준 모형 내에서는 이 변수들의 물리적 의미를 설명할 수 없다.( 대표적으로 질량을 들수 있고 자연의 궁극적인 이론이 19개의 임의적인 숫자를 가지고 시작함) 표준 모형은 쿼크와 렙톤에 세 세대가 있는것을 말해 줄 수 없다.