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입자물리학 Particle Physics |
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| 물질이란 무엇인가? |
1. 개요
기본 입자( 基 本 粒 子, Elementary particle)는 다른 입자를 구성하는 가장 기본이 되는 입자를 말한다. 표준 모형으로 기본입자들의 성질과 상호작용을 기술할 수 있다. 양자장론에 따르면 이들은 점입자이므로 반지름이 0이다. 이 입자들보다 더 기본적인 단계가 있는지는 아직 밝혀지지 않았으며, 초끈이론이 이를 다룬다.소립자(素粒子)라고도 불린다. 소립자의 소( 素)는 소자, 형태소, 화소등의 용례에서와 같이 단위 요소라는 것을 나타내기 위해 쓰인 것이다.
2. 종류
2023년 시점에서 발견된 기본 입자는 총 30종이다. 쿼크 12종, 렙톤 12종, 보손 6종으로 구성된다.- 페르미온(Fermion)
- 쿼크(Quark): 피네간의 경야의 구절에서 따온 이름이다. 이름이 위/아래(Up/Down), 맵시/기묘(Charm/Strange), 꼭대기/바닥(Top/Bottom) 같은 식으로 요상하다. 전하량이 유리수이다. ( 양자색역학에 따르면)단독으로 발견될 수 없으며, 다른 쿼크와 짝지어 또는 셋이 모여 다녀야 한다. 쿼크들은 빨강, 초록, 파랑의 색(color)이라는 물리적 보존량을 가지며 쿼크들이 결합할때 반드시 무색의 조합이 되어야 한다. 쿼크에 대한 반입자로 반쿼크(Anti-Quark)가 존재한다.
- 렙톤(Lepton): 전자/ 양전자(Electron/Positron), 뮤온/반뮤온(Muon/Anti-Muon), 타우온/반타우온(Tauon/Anti-Tauon)'으로 짝지을 수 있는 하전입자군과, 각각의 하전입자에 대응하는 중성미자군이 있다. 얘네들은 정수 전하량을 가지며, 역시 맛(Flavour)이라는 물리적 특성이 있다. 같은 맛을 가지는 렙톤들은 반응 과정에서 보존된다. 다른 입자에 비해 가볍다고 렙톤인데, 타우온은 양성자보다 무겁다. 대충 이름을 붙였다가 나중에 후학들을 헷갈리게 하는 예. 그리고 전자의 반입자인 양전자는 폴 디랙이 물리학적으로 제안(1928)하고 칼 앤더슨이 발견(1932)했다. 앤더슨은 새로 발견한 입자를 'Positron'이라 명명하고 전자 또한 'Negatron' 이라 부를 것을 제안했다. 그 후 1939년 아이작 아시모프는 소설에서 양전자 두뇌(Positronic Brain)라는 용어를 만들어 로봇의 지능을 설명하는 데 활용했다. 이는 '양전자적(positronic)' 이라는 형용사를 전자적(electronic) 처럼 사용한 용법의 시초로 알려져 있다.
- 보손(Boson)
- 게이지 보손(Gauge[1] Boson): 자연계의 4가지 기본 상호작용의 매개가 되는 입자. 광자, W입자, Z입자, 글루온 등이 있다. 광자는 전자기력, W입자와 Z입자는 약한 상호작용, 글루온은 강한 상호작용을 매개한다. 중력자라는 것도 있는데, 이름에서 알 수 있듯 중력을 매개하는 입자이지만 아직 발견되지 않았다.
- 스칼라 보손(Scalar Boson): 2013년 노벨 물리학상을 받은 연구의 주제로 유명한 힉스 보손만이 존재한다. 1964년 영국의 이론 물리학자인 피터 힉스가 주장하고 2013년 실제로 발견된 입자로, 이 우주 전체에 가득 들어차 있다는 입자이다. 이 입자들과 관련된 힉스 매커니즘이 바로 우리들이 잘 알고 있는 질량과 관성을 만들어내는 것이다.
[1]
분노 게이지(...)처럼 어떤 양을 말할 때 쓰는 그 게이지 맞다.