입자물리학

Particle physics
핵물리학과 혼동하지 말 것.
입자물리학 표준모형
Up quarkCharm quarkTop quarkGluonHiggs bosonDown quarkStrange quarkBottom quarkPhotonElectronMuonTau (particle)Z bosonElectron neutrinoMuon neutrinoTau neutrinoW bosonStandard ModelFermionBosonQuarkLeptonScalar bosonGauge bosonVector boson
표준모형의 기본입자
배경
입자물리학
표준모델
양자장론
게이지 이론
자발적 대칭파괴
힉스 메커니즘
구성원
전기약 상호작용
양자 색역학
CKM 행렬
표준모형수학
한계
강력한 CP 문제
계층문제
중성미자 진동
표준모형을 넘어선 물리학
사이언티스트

입자 물리학 또는 고에너지 물리학은 물질과 방사선을 구성하는 기본적인 입자와 힘을 연구하는 학문입니다.우주의 기본 입자는 표준 모델에서 페르미온(물질 입자)과 보손(힘을 전달하는 입자)으로 분류됩니다.일반적인 물질은 첫 번째 페르미온 생성에서만 만들어지지만, 페르미온에는 3세대가 있습니다.1세대는 양성자와 중성자를 형성하는 위 쿼크와 아래 쿼크, 전자와 전자 중성미자로 이루어져 있습니다.보손이 매개하는 것으로 알려진 세 가지 기본적인 상호작용은 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용입니다.

쿼크는 스스로 존재할 수 없고 강입자를 형성합니다.홀수 개의 쿼크를 포함하는 강입자를 중입자라고 하고 짝수 개를 포함하는 강입자를 중입자라고 합니다.두 개의 중입자, 양성자와 중성자는 보통 물질의 질량의 대부분을 구성합니다.중간자들은 불안정하며 수 백분의 1 마이크로초 동안만 가장 오래 살 수 있습니다.그들은 우주선 속에서 빠르게 움직이는 양성자와 중성자와 같은 쿼크로 이루어진 입자들 사이의 충돌 후에 발생합니다.중간자는 사이클로트론이나 다른 입자 가속기에서도 생성됩니다.

입자는 질량은 같지만 전하량은 반대인 대응하는 반입자를 가지고 있습니다.예를 들어, 전자의 반입자는 양전자입니다.전자는 음의 전하를 가지고 있고, 양전자는 양의 전하를 가지고 있습니다.이러한 반입자들은 이론적으로 반물질이라고 불리는 물질의 대응 형태를 형성할 수 있습니다.광자와 같은 일부 입자들은 그들 자신의 반입자입니다.

이들 기본 입자는 양자장의 들뜸이며 상호작용을 지배합니다.이러한 기본적인 입자와 장들을 그 역학과 함께 설명하는 지배적인 이론은 표준 모델이라고 불립니다.현재의 입자 물리학 이론에 대한 중력의 조정은 해결되지 않았습니다. 루프 양자 중력, 끈 이론, 초대칭 이론과 같은 많은 이론들이 이 문제를 다루었습니다.

실제 입자 물리학은 방사성 과정과 강입자 충돌기와 같은 입자 가속기에서 이러한 입자들을 연구하는 학문입니다.이론 입자 물리학은 우주론과 양자 이론의 맥락에서 이 입자들을 연구하는 학문입니다.힉스 보손은 이론적 입자 물리학자들에 의해 가정되었고 실제 실험에 의해 그 존재가 확인되었습니다.

역사

주요 기사:아원자 물리학의 역사
see caption
가이거-마르스덴 실험은 금박에 부딪혔을 때 알파 입자의 작은 부분이 강한 편향을 경험하는 것을 관찰했습니다.

모든 물질이 기본적으로 기본 입자로 구성되어 있다는 생각은 적어도 기원전 6세기부터 존재합니다.[1]19세기에 존 돌턴은 화학양론에 대한 그의 연구를 통해 자연의 각 요소가 하나의 독특한 유형의 입자로 구성되어 있다고 결론지었습니다.[2]원자라는 단어는 그리스 단어 atomos 다음으로 "분할할 수 없다"는 뜻의 atomos라는 단어로, 그 이후로 화학 원소의 가장 작은 입자를 나타냈지만, 물리학자들은 원자가 사실 자연의 기본 입자가 아니라 전자와 같은 더 작은 입자들의 집합체라는 것을 곧 발견했습니다.20세기 초반의 핵물리학과 양자물리학의 탐구는 1939년 리세 마이스너에 의한 핵분열과 같은 해 한스 베테에 의한 핵융합의 증명으로 이어졌습니다.

1950년대와 1960년대에 걸쳐, 점점 더 높은 에너지의 빔에서 나오는 입자들의 충돌에서 당황스러울 정도로 다양한 입자들이 발견되었습니다.그것은 비공식적으로 "입자 동물원"이라고 불렸습니다.제임스 크로닌과 발 피치의 CP 위반과 같은 중요한 발견들은 물질-반물질 불균형에 새로운 질문들을 던졌습니다.[3]1970년대에 표준 모델이 만들어진 후, 물리학자들은 입자 동물원의 기원을 분명히 했습니다.많은 수의 입자는 (상대적으로) 적은 수의 더 근본적인 입자의 조합으로 설명되고 양자장 이론의 맥락에서 틀이 잡혔습니다.이 재분류는 현대 입자 물리학의 시작을 알렸습니다.[4][5]

표준모델

주요 기사:표준모델

모든 기본 입자의 분류의 현재 상태는 쿼크의 존재를 실험적으로 확인한 후 1970년대 중반에 널리 받아들여진 표준 모델에 의해 설명됩니다.매개 게이지 보손을 사용하여 강, 약, 전자기 기본 상호 작용을 설명합니다.게이지 보손의 종류는 8개의 글루온, W−
+
, Z 보손 그리고 광자입니다
.[6]표준 모형에는 또한 모든 물질의 구성 성분인 24개의 기본 페르미온(12개의 입자와 그와 관련된 반입자)이 포함되어 있습니다.[7]마지막으로, 표준 모델은 또한 힉스 보손이라고 알려진 보손의 종류의 존재를 예측했습니다.2012년 7월 4일, CERN의 강입자 충돌기의 물리학자들은 힉스 보손으로부터 기대되는 것과 유사하게 행동하는 새로운 입자를 발견했다고 발표했습니다.[8]

현재 공식화된 표준 모델에는 61개의 기본 입자가 있습니다.[9]이러한 기본 입자들은 결합하여 복합 입자를 형성할 수 있으며, 1960년대 이후 발견된 수백 종의 다른 입자들을 설명합니다.표준 모형은 지금까지 수행된 거의 모든 실험 검정과 일치하는 것으로 확인되었습니다.그러나 대부분의 입자물리학자들은 자연에 대한 불완전한 설명이며 보다 근본적인 이론이 발견되기를 기다리고 있다고 믿고 있습니다.최근 몇 년 동안 중성미자 질량 측정은 표준 모델에서 중성미자의 질량이 없기 때문에 표준 모델에서 첫 번째 실험적 편차를 제공했습니다.[10]

아원자 입자

기본 입자
종류들 세대 반입자 색상 총
쿼크 2 3 짝 3 36
렙톤스 짝 없음. 12
글루온스 1 없음. 소유의 8 8
광자 소유의 없음. 1
지 보손 소유의 1
보손 짝 2
힉스 소유의 1
알려진 (알려진) 기본 입자의 총 수: 61

현대의 입자물리학 연구는 전자, 양성자, 중성자와 같은 아원자 입자에 초점을 맞추고 있습니다. (양성자와 중성자는 쿼크로 만들어진 중입자라고 불리는 복합 입자입니다.) 이러한 입자는 광자, 중성미자, 뮤온입니다.다양한 이국적인 입자들 뿐만 아니라.[11]지금까지 관측된 모든 입자와 입자의 상호작용은 거의 전적으로 표준 모델에 의해 설명될 수 있습니다.[6]

입자의 역학은 또한 양자 역학에 의해 통제됩니다. 그들은 파동-입자 이중성을 보여주고, 특정 실험 조건에서 입자와 같은 행동을 보이고 다른 것에서는 파동과 같은 행동을 보여줍니다.좀 더 전문적인 용어로, 그것들은 양자장 이론에서도 다루어지는 힐베르트 공간의 양자 상태 벡터에 의해 기술됩니다.입자 물리학자들의 관례에 따라, 현재의 이해에 따르면, 다른 입자들로 구성되지 않고 분할할 수 없는 것으로 추정되는 입자들에 대해 기본 입자라는 용어가 적용됩니다.[9]

쿼크와 렙톤

주요 기사:쿼크와 경입자
양성자(p, udu)로 변환된 중성자(n, udd)를 보여주는 β−
 붕괴의 파인만 다이어그램."u"와 "d"는 위 쿼크와 아래 쿼크, "e"는 전자, "ν"는 전자 반중성미자입니다.

일반적인 물질은 1세대 쿼크(위, 아래)와 렙톤(전자, 전자 중성미자)으로 만들어집니다.[12]쿼크와 렙톤을 통틀어 페르미온이라고 부르는데, 이는 반 정수(-1/2, 1/2, 3/2 등)의 양자 스핀을 가지고 있기 때문입니다.이것은 페르미온이 파울리 배제 원칙을 따르도록 합니다. 두 입자가 동일한 양자 상태를 차지할 수는 없습니다.[13]쿼크는 분수 기본 전하(-1/3 또는 2/3)[14]를, 렙톤은 홀수 전하(0 또는 1)를 갖습니다.[15]쿼크는 또한 색전하를 가지고 있는데, 실제 밝은 색과 상관관계가 없는 임의로 빨간색, 녹색, 파란색으로 라벨을 붙입니다.[16]쿼크 사이의 상호작용은 쿼크가 충분히 멀리 떨어져 있을 때 다른 입자로 변환될 수 있는 에너지를 저장하기 때문에 쿼크는 독립적으로 관찰될 수 없습니다.이것을 색 구속이라고 합니다.[16]

쿼크에는 3세대(위아래, 기묘하고 매력적, 위아래)와 렙톤(전자와 그 중성미자, 뮤온과 그 중성미자, 타우와 그 중성미자)이 알려져 있으며, 4세대 페르미온이 존재하지 않는다는 강력한 간접 증거가 있습니다.[17]

보손스

주요 기사:보손

보손은 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용과 같은 기본적인 상호작용의 매개자 또는 매개자입니다.[18]전자기학은 빛의 양자인 광자에 의해 매개됩니다.[19]: 29–30 약한 상호작용은 W와 Z 보손에 의해 매개됩니다.[20]강한 상호작용은 쿼크를 서로 연결하여 복합 입자를 형성할 수 있는 글루온에 의해 매개됩니다.[21]전술한 색상 제한으로 인해 글루온은 독립적으로 관찰되지 않습니다.[22]힉스 보손은 힉스 메커니즘을[23] 통해 W 보손과 Z 보손에게 질량을 줍니다. 글루온과 광자는 질량이 없을 것으로 예상됩니다.[22]모든 보손은 정수 양자 스핀(0과 1)을 가지며 동일한 양자 상태를 가질 수 있습니다.[18]

반입자 및 색전하

주요 기사:반입자 및 색전하

앞서 언급한 대부분의 입자는 반물질을 구성하는 대응하는 반입자를 가지고 있습니다.정상 입자는 양의 경입자 또는 중입자 수를 가지고 있고, 반입자는 음의 수를 가지고 있습니다.[24]대응하는 반입자와 입자의 대부분의 성질은 같고, 몇 개는 반대로 되어 있습니다. 전자의 반입자인 양전자는 반대 전하를 가지고 있습니다.반입자와 입자를 구분하기 위해 위첨자에 플러스 기호 또는 마이너스 기호를 추가합니다.예를 들어, 전자와 양전자는 e와−
e로+
표시됩니다.[25]입자와 반입자가 서로 상호작용하면, 그들은 소멸되고 다른 입자로 변환됩니다.[26]광자나 글루온 같은 반입자가 없는 입자도 있습니다.[citation needed]

쿼크와 글루온은 또한 색전하를 가지고 있어서 강한 상호작용에 영향을 미칩니다.쿼크의 색전하는 적색, 녹색, 청색이라고 불리고, 반쿼크에서는 안티타이어, 안티그린, 안티블루라고 불립니다.[16]글루온은 8개의 색전하를 가질 수 있는데, 이 색전하는 쿼크가 복합 입자를 형성하는 상호작용의 결과입니다(게이지 대칭 SU(3)).[27]

컴포지트

주요 기사:복합입자
양성자는 글루온으로 연결된 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크로 구성됩니다.쿼크의 색전하도 보입니다.

원자핵의 중성자와 양성자는 중입자입니다. 중성자는 두 개의 아래 쿼크와 한 개의 위 쿼크로 구성되어 있고, 양성자는 두 개의 위 쿼크와 한 개의 아래 쿼크로 구성되어 있습니다.[28]중입자는 3개의 쿼크로 구성되어 있고, 중간자는 2개의 쿼크로 구성되어 있습니다. (1개의 정상, 1개의 반)중입자와 중간자를 통틀어 강입자라고 부릅니다.강입자 내부의 쿼크는 강한 상호작용에 의해 통제되므로 양자 색역학(색전하)을 받습니다.유계 쿼크는 색 전하가 중성이거나 기본 색을 혼합하는 것과 유사하게 "흰색"이어야 합니다.[29]좀 더 이국적인 강입자는 다른 종류, 배열, 쿼크의 수(테트라쿼크, 펜타쿼크)를 가질 수 있습니다.[30]

정상적인 원자는 양성자, 중성자, 전자로 만들어집니다.[citation needed]일반적인 원자 내부의 입자들을 변형시킴으로써 이국적인 원자들이 형성될 수 있습니다.[31]간단한 예로는 수소-4.1이 있는데, 수소-4.1은 전자들 중 하나가 뮤온으로 대체되어 있습니다.[32]

가설적

중력자는 중력의 상호작용을 매개할 수 있는 가상의 입자이지만, 발견되지도 않았고 현재 이론과 완전히 조화되지도 않았습니다.[33]

실험실

페르미 국립 가속기 연구소

세계의 주요 입자 물리학 연구소는 다음과 같습니다.

이론.

양자장론
파인만 도형
역사
배경
대칭
도구들
방정식
표준모델
불완전이론
사이언티스트

이론 입자 물리학은 현재의 실험을 이해하고 미래의 실험을 위한 예측을 하기 위해 모델, 이론적 프레임워크, 수학적 도구를 개발하려고 시도합니다.오늘날 이론적 입자 물리학에서는 몇 가지 주요 상호 관련된 노력이 이루어지고 있습니다.

한 가지 중요한 분기에서는 표준 모형과 표준 모형의 검정을 더 잘 이해하려고 합니다.이론가들은 충돌기 및 천문학적 실험에서 관측 가능한 것에 대한 정량적 예측을 수행하며, 이는 실험적 측정과 함께 표준 모형의 모수를 덜 불확실하게 추출하는 데 사용됩니다.이 연구는 표준 모델의 한계를 조사하고 따라서 자연의 구성 요소에 대한 과학적 이해를 넓힙니다.이러한 노력은 양자 색역학에서 높은 정밀도를 계산하기 어렵기 때문에 어려워집니다.이 분야에서 연구하는 일부 이론가들은 섭동 양자장 이론과 효과적인 장 이론의 도구를 사용하며, 자신들을 현상학자라고 부릅니다.[citation needed]다른 사람들은 격자장 이론을 이용하고 스스로를 격자 이론가라고 부릅니다.

모델 제작자들이 표준 모델 이상의 물리학적 개념을 개발하는 모델 제작에 있어서의 또 다른 주요 노력은 (에너지가 높거나 거리가 작음) 모델 제작자들이 표준 모델을 넘어서는 것에 대한 아이디어를 개발하는 것입니다.이 작업은 계층 구조 문제에 의해 동기 부여되는 경우가 많으며 기존 실험 데이터의 제약을 받습니다.[46][47]그것은 초대칭, 힉스 메커니즘의 대안, 추가 공간 차원(랜들-선드럼 모델과 같은), 프레온 이론, 이들의 조합 또는 다른 아이디어에 대한 연구를 포함할 수 있습니다.

이론적 입자물리학의 세번째 주요 노력은 끈이론입니다.끈 이론가들은 입자보다는 작은 끈과 뇌를 바탕으로 이론을 구축함으로써 양자역학과 일반 상대성 이론의 통일된 설명을 시도합니다.이 이론이 성공적이라면, 이 이론은 "모든 것의 이론" 또는 "TOE"로 간주될 수 있습니다.[48]

이론적 입자 물리학에는 입자 우주론에서 고리양자중력에 이르는 다른 분야들도 있습니다.[citation needed]

실용화

원칙적으로, 모든 물리학(그리고 그로부터 개발된 실용적인 응용)은 기본 입자의 연구로부터 도출될 수 있습니다.실제로, "입자 물리학"이 "고에너지 원자 파괴자"만을 의미한다고 해도, 이러한 선구적인 연구 과정에서 많은 기술이 개발되어 나중에 사회에서 널리 사용됩니다.입자 가속기는 연구 및 치료를 위한 의료용 동위원소(예: PET 이미징에 사용되는 동위원소)를 생성하는 데 사용되거나 외부 방사선 치료에 직접 사용됩니다.초전도체의 개발은 입자 물리학에서의 사용에 의해 추진되어 왔습니다.월드 와이드 웹과 터치스크린 기술은 CERN에서 처음 개발되었습니다.의학, 국가 안보, 산업, 컴퓨팅, 과학 및 인력 개발 분야에서 추가적인 응용 분야가 발견되며, 입자 물리학의 기여와 함께 유익한 실용적 응용 분야의 길고 증가하는 목록을 보여줍니다.[49]

미래.

몇 가지 다른 방식으로 추구되는 주요 목표는 물리학이 표준 모델 이상으로 무엇이 놓여있는지를 찾고 이해하는 것입니다.암흑 물질과 중성미자 질량을 포함한 새로운 물리학을 기대할 수 있는 몇 가지 강력한 실험적 이유가 있습니다.또한 이 새로운 물리학이 접근 가능한 에너지 척도에서 발견되어야 한다는 이론적 암시도 있습니다.

표준 모델 물리학을 넘어서기 위한 많은 노력은 새로운 충돌기 실험에 집중되어 왔습니다.2023년 3월 현재 LHC(Large Hadron Collider)에서는 표준 이상의 모델 서명이 관찰되지 않고 있습니다.이는 LHC에서 관측하기에는 새로운 물리학 신호가 너무 드물거나 너무 높은 에너지로 나타나야 한다는 것을 의미합니다.희귀한 신호들을 다루기 위해, 사람들은 낮은 배경들을 가진 매우 높은 레이트 소스를 만듭니다.이것이 여러 힉스 공장 제안의 배경이 되는 개념입니다.이것들은 힉스 입자를 만들기 위해 선택된 질량 중심 에너지를 가진 렙톤-렙톤(전자-양전자 또는 뮤온-안티뮤온) 충돌기로 구성됩니다.렙톤이 소멸되기 때문에, 검출기의 사건들은 하드론 충돌기와 달리 외부 입자가 거의 없습니다.이를 통해 정확한 이벤트 재구성이 가능합니다.새로운 물리학은 힉스 보손의 큰 표본을 정밀하게 재구성함으로써 조사됩니다.강입자 또는 뮤온 충돌기는 더 높은 에너지에 도달하기 위해 필요합니다.CERN을 위해 제안된 미래 원형 충돌기는 100 TeV 질량 중심의 양성자 충돌기 제안의 한 예로, 원둘레가 90km인 LHC에 걸쳐 에너지가 증가하는 순서를 나타냅니다.10 TeV 뮤온 충돌기는 100 TeV 양성자 충돌기와 비슷한 에너지를 조사할 것이며, 원둘레는 10 km에 불과합니다.[50]

표준 모델을 넘어 물리학을 찾고 이해하려는 중요한 충돌하지 않는 실험이 있습니다.하나는 중성미자 질량을 결정하는 것인데, 이 질량들은 매우 무거운 입자들과 중성미자가 섞여서 발생할 수 있기 때문입니다.다른 하나는 암흑 물질에 대한 제약을 제공하는 우주론적 관측이지만, 충돌기 없이는 암흑 물질의 정확한 성격을 결정하는 것은 불가능할 수도 있습니다.마지막으로, 충돌기 실험보다 훨씬 높은 에너지 규모의 대통합 이론에 대한 양성자의 긴 수명에 대한 하한선이 곧 조사할 수 있을 것입니다.

2023년 입자물리학 프로젝트 우선순위 결정 패널(P5)은 미국에서 입자물리학의 미래에 대한 새로운 10년 연구를 시작했으며, 이 연구는 딥 언더그라운드 중성미자 실험 등을 추천한 2014년 P5 연구를 업데이트할 예정입니다.

참고 항목

참고문헌

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