연사:명연수교수 (http://myung.inje.ac.kr) 인제대학교 상대론연구소& 컴퓨터응용과학부 노벨물리학상해설강연 (과학문화진흥회) 연사:명연수교수 (http://myung.inje.ac.kr) 인제대학교 상대론연구소& 컴퓨터응용과학부

목차 소립자물리학(통일장)의 역대노벨상 4 종류의 힘 2004년 노벨 물리학상 4. 미래의 소립자노벨상물리학상은? 통일장이론 과 끈이론에 관한 동영상(50분) 5. 과학자로서 삶이 의미 있으려면?

특수상대론(Special Relativity) 1905년 아인슈타인이 다음 두 가지 가정으로부터 고속물리학과 저속물리학(뉴턴역학)을 통합시킴. 가정 광속(c=300,000km/s)은 불변 물리법칙은 등속 운동에서 불변상대성원리 그 결과 1) 시간 확장, 2) 길이수축, 3) E=mc^2 (핵반응) 4) 소립자물리학의 발전에 기여함

소립자(Elementary Particle)? 1.우주를 구성하는 눈에 보이지 않는 기본입자 2. 모든 물질과 반물질의 상호작용이 일어나는 기본적인 구성요소 3. 내부구조가 없고 측정할 만한 크기가 없는 진정한 의미의 “점( )” 4. 보존(boson)과 페르미온(fermion)으로 나눔 5. 보존: 상호작용을 매개시키는 스핀=정수인 운반자(축구공) 6. 페르미온: 우주물질자체를 구성하는 스핀=1/2인 입자(축구선수)

1.소립자물리학(통일장)의 역대노벨상 1949년 H. Yukawa 중간자(meson)의 존재 예언 1957년 T. D. Lee and C. N. Yang 약한 상호작용에서 페리티 보존에 위배되는 현상발견 3. 1965년 J. Schwinger, R. Feynman, S. Tomonaga 양자전자역학(QED) 발전 4. 1969년 M. Gellman 소립자분류와 상호작용(쿼크) 1976년 B. Richter, S. Ting J/프사이 입자발견 1979년 S. Glashow, A. Salam, S. Weinberg 약한 상호작용과 전자기력통합 (자발적 대칭성의 깨어짐)

1.소립자물리학(통일장)의 노벨상 7. 1984년 C. Rubia, S. van der Meer W와 Z 보존 발견 1990 년 J. Friedman, H. Kendall, R. Taylor 쿼크의 존재를 실험적으로 증명 1999년 G. t’Hoot, M. Veltmann 약한 상호작용의 양자 구조를 명확히 설명 (재규격화) 10. 2004년 D. Gross, F. Wilczek, C. Politzer 강력규명: 양자 색역학 (QCD)확립 11. ? 년 ?, ?, ?. 통일장론?

2. 4 종류의 힘 강력(Strong force): 핵을 결합(핵내) 전자기력(EM force): 원자와 분자결합 약력(Weak force): -붕괴를 생성(핵내) 중력(Gravitational force):태양에 행성 결합 전자기력/중력= 약력만이 쿼크의 유형을 변화시킴

4가지 힘의 상호작용 방법(핵 수준) 이름 상대적 세기 범위(m) 강력 1 중간자 1 전자기력 무한대 광자 0 1 약력 1 4가지 힘의 상호작용 방법(핵 수준) 이름 상대적 세기 범위(m) 강력 1 중간자 1 전자기력 무한대 광자 0 1 약력 1 중력 무한대 중력자 0 2 운반자 입자 질량* 스핀

소립자의 분류 (핵수준) 페르미온 중입자 (baryon) 경입자 (lepton) (반정수 스핀) (양성자, 중성자,람다,시그마..) (전자, 뮤온,타우, 중성미자) 보존 중간자 (meson) 게이지보존 (gauge boson) (정수스핀) (파이온, 케이온, 에타…) (광자, ,중력자) 강력에 의하여 영향을 받지 않는 입자 강력을 통해 상호작용하는 입자(강입자) 스핀 그룹

긴 수명 강입자의 성질 분류 입자명 기호 반입자 질량 B S 수명(s) 중입자 스핀=1/2 스핀=3/2 중간자 스핀=0 938.3 939.6 1,115.6 1,189.4 1,192.5 1,197.3 1,315 1,321 1,672 +1 -1 -2 -3 안정(?) 양성자 중성자 람다 시그마 중입자 스핀=1/2 크사이 스핀=3/2 오메가 파이온 케이온 에타 “디 플러스” “비 플러스” 프사이 업슬론 중간자 스핀=0 스핀=1

소립자 보존 파울리의 페르미온 배타원리 반정수 스핀 갖는다 갖는다 정수 스핀 중간 (또는 게이지) 보존 경입자 중입자 중간자 분류된다 갖는다 갖는다 보존 정수 스핀 파울리의 배타원리 준수 페르미온 가능하다 가능하다 중간 (또는 게이지) 보존 경입자 중입자 중간자 보기 보기 보기 보기 파이온, 케이온, 이타 광자, 접착자, 중력자 전자, 뮤온, 중성미자 양성자, 중성자, 람다, 시그마 이루어진다 이루어진다 이루어진다 힘을 운반하는 입자 3 쿼크 쿼크-반쿼크 쌍 상호작용방법 강력

입자물리학에서의 중요한 보존법칙(BF-거시세계와 미시세계) 물리량 또는 조작 물리량이 보존되는 상호작용 질량-에너지 강한상호작용, 전자기적 및 약한상호작용 선운동량 강한상호작용, 전자기적 및 약한상호작용 각운동량 강한상호작용, 전자기적 및 약한상호작용 전하 (Q) 강한상호작용, 전자기적 및 약한상호작용 중입자수 (B) 강한상호작용, 전자기적 및 약한상호작용 전기적 경입자수 전자기적 및 약한상호작용 (x강한상호작용) 뮤온적 경입자수 전자기적 및 약한상호작용 (x강한상호작용) 기묘도(S) 강한상호작용 및 전자기적 (x약한상호작용) 홀짝성(P) 강한상호작용 및 전자기적 (x약한상호작용) 쿼크의 특징 (spin=1/2, 1970까지) 쿼크 전하(양전자=1) 중입자 번호(B) 기묘도(S)

쿼크로 중간자와 중입자표현 (자유쿼크는 존재안함)

u d c s t b u d c s t b 양자 번호 또는 전하 쿼크 전하 기묘도 맵시 바닥성 꼭대기성 질량 I II III 쿼크 전하 기묘도 맵시 바닥성 꼭대기성 질량 물질 반물질 I II III I II III up u Down d Charm c Strange s Top/truth t Bottom/ Beauty b Antium u Antidown d Anticharm c Antistrange s Antitop/truth t Antibottom/beauty b +2/3 R,G,B 5 +2/3 R,G,B 1,500 +2/3 R,G,B 176,000 -2/3 C,M,Y 5 -2/3 C,M,Y 1500 -2/3 C,M,Y 176000 쿼크 반쿼크 +1/3 C,M,Y 8 +1/3 C,M,Y 160 C,M,.Y ~4500 +1/3 -1/3 R,G,B 8 -1/3 R,G,B 160 -1/3 R,G,B ~4500 전자 전자/ 중성미자 뮤온 준성미자 타우 중성미자 양전자 전자/ 반중성미자 반뮤온 뮤온 반준성미자 반타우 타우 반중성미자 -1 0.511 -1 105.7 -1 1777 +1 0.511 +1 105.7 +1 1777 경입자 반경입자

4가지 힘의 상호작용 방법 (쿼크 수준) 강력 접착자(8) 1 있음 (R,G,B) 약력 80 91 +1 -1 중성 전자기력 4가지 힘의 상호작용 방법 (쿼크 수준) 힘 운반자 질량 전하 스핀 상대강도 범위 색깔 강력 접착자(8) 1 있음 (R,G,B) 약력 80 91 +1 -1 중성 전자기력 광자 무한대 중력 중력자 2

3. 2004년 노벨 물리학상(Who) David J. Gross (1941) H. Politzer (1949) F. Wilczek (1951) 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize Kavli Institute for Theoretical Physics, UCSB California Institute of Technology (Caltech) Massachusetts Institute of Technology (MIT)

3. 2004년 노벨 물리학상(Why) 강력이 기존의 전자기력,약력, 및 중력과 다른 성질을 보임. (특히, 점근자유성 때문에) *전자기력,약력, 및 중력: 입자 사이의 거리가 멀어지면 힘이 약해지고 가까우면 강해짐(입자 분리가능). 강력: 입자 사이의 거리가 멀어지면 힘이 더 강해지고 가까우면 약해짐. (쿼크 분리 불가능)

3. 2004년 노벨 물리학상(When,Where,What) 1. 1973년여름에 31살의 Princeton대학의 그로스교수와 그의 대학원생인 21살의 월첵이 강력(Strong force)의 성질을 규명한 논문을 Physical Review Letters에 발표. 1973년여름에 Harvard대학의 대학원생인 23세의 폴리쳐(지도 교수: S. Coleman)역시 강력(Strong force)의 성질을 규명한 논문을 단독으로 Physical Review Letters에 발표. 3. 폴리쳐는 논문발표 후 CALTECH교수로 부임.

3. 2004년 노벨 물리학상(How) 비가환 게이지이론 (양-밀스이론)의 양자장론 계산을 통해 베타함수를 계산했다. 그 결과 강력의 점근자유성 (Asymptotic Freedom)을 밝혀냈다. 그러나, 이것을 실험적으로 증명하는데 30 년 걸렸다. 그 뒤 이들 이론이 실험으로 검증되면서 양자색역학(Quantum Chromodynamics: QCD)로 발전함. QCD통일장이론 (전자기력+약력+강력)

음의 베타함수의 역사 0. 대부분의 경우 양의 베타함수임. 1949년 Yukawa가 두 양성자사이의 힘의 0. 대부분의 경우 양의 베타함수임. 1949년 Yukawa가 두 양성자사이의 힘의 운반자로 pi-meson을 고려 했지만 결합상수가 14로 1보다 커서 베타함수 계산 불가능. 2. 1970년 K. Symanzik가 음의 베타함수를 갖는 스칼라장 모델 구성 3. 1972년 G. ‘tHoot가 Marseille Conference에서 음의 베타함수를 갖는 비가환게이지이론 제시. 4. 1973년 Gross 그룹(Wilczek)과 Coleman그룹(Politzer)이 실제로 계산함.

강력의 베타함수(이론) g: 결합상수 Nc: 칼라종류 (= 3, QCD) NF: 쿼크 종류 (= 6, 표준모델).

30년 실험과 이론 에너지함수로서 결합상수변화  음의 기울기 (음의 베타함수)  점근자유도 시험결과와 일치 (CERNLEP,DESY HERA).

베타함수들

강력은? 고무줄(스프링)이다먼 거리에서 더 큰 힘이 작용하므로자유쿼크 존재 불가능 쿼크들은 핵 내의 양성자 혹은 중성자 감옥에 구속됨. 쿼크들은 가까이에 있으면 자유입자처럼 행동함접근자유성 4. 자유입자김 삿갓(조선시대 방랑시인) 5. 쿼크들 신창원과 그의 감방동료들 (부산교도소) 6. 접착자신창원과 그의 동료들의 인간관계 7. 쿼크와 쿼크 분리하려면 무한대 에너지 필요함.

중간자 “SNAP” 중간자 중간자

쿼크-반쿼크와 쿼크-반쿼크-접착자 생성 실험 쿼크-반쿼크와 쿼크-반쿼크-접착자 생성 실험

4. 미래의 소립자노벨상물리학상은? 통일장 이론(중력까지 포함)에서  초끈이론(Superstring theories) 실험적 검증은 우주론(Cosmology)을 통해서 지상(입자가속기)에서1,000,000,000,000,000,000Gev에너지 도달 불가능 하므로

5. 과학자로서 삶이 의미 있으려면? 1. MIT나 Caltech 나와도 슈퍼마켓 운영하는 사람 있다. 2. 자신이 좋아하는 분야에서 일해야 남들 보다 더 잘할 수 있다. 3. 매사를 긍정적으로 생각하고 끊임없이 도전함. 4. 호기심(Curiosity)+질문(Question)+열정(Passion) 창의력 있는 과학자(CQP) 5. 복합과학의 시대가 도래할 것이다.

참고 웹사이트(영문) 1. 2004 노벨물리학상 2. 힘과 상호작용(우주론)에 관한 미국과학재단개발 http://nobelprize.org/physics/laureates/2004/index.html 2. 힘과 상호작용(우주론)에 관한 미국과학재단개발 e-learning (CPEP) http://particleadventure.org/particleadventure/ 3. 우주론과 관측실험 http://lambda.gsfc.nasa.gov/ 4. 끈이론 http://superstringtheory.com/