입자물리학

입자물리학(粒子物理學)이란 이 세상이 무엇으로 이루어져 있고, 그것들이 어떻게 상호작용하는가를 밝히고자 하는 물리학의 한 분야이다. 현재의 이론에 의하면 세상의 기본 물질이 공간을 점유하지 않는 입자라고 생각되며, 이들을 기본입자 또는 소립자라고 부른다. 또한 기본입자들의 상호작용을 힘이라 부르기도 한다. 기본입자들의 성질은 초기우주를 설명하는 데 바탕이 되는 이론이기도 하며, 따라서 우주론도 입자물리학과 큰 공통분모를 갖는다. 고에너지물리학이라고도 불리는데, 입자물리학의 현상들을 통상 실험적으로 증명하기 위해서는 수백만~수백억 전자볼트 (MeV~GeV) 이상의 고에너지로 입자의 충돌반응을 연구하는 것이 필수적이기 때문이다.

표준 모형

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지금까지, 실험으로 검증된 엄밀한 의미에서의, 가장 근본적인 설명은 입자 물리학의 표준모형이다. 이 우주는 쿼크와 렙톤이라는 기본적인 물질로 이루어져 있으며 이들의 상호작용은 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기력 그리고 중력이라는 네 가지 힘으로 기술된다. 앞의 세 이론은 양자장론으로 잘 기술되고 있으며 중력은 아인슈타인의 일반상대성이론으로 기술되나 양자화된 이론은 없다.

기본입자로 알려진 것들이 사실은 구조를 가지고 있으며, 더 기본이 되는 입자들로 이루어져 있다는 것이 밝혀진 경우가 많다. 가령 1920년대까지 우주의 기본 구성 물질은 양성자, 중성자와 전자라고 생각했으나, 1960년대 이후 양성자와 중성자 모두 쿼크로 이루어진 결합물질이라는 것을 알게 되었다.

역사

역사적으로 볼 때 탈레스(Tahles)의 질문에서 나온 생각, 즉 모든 것은 물이다라는 명제가 구체적인 형태-"모든 물질은 불로되어 있다"는 철학자 헤라클레이스토스의 주장에서 근본한 것이라 추정되기도 하여 과학보다는 철학에 가까웠던 시절이다.-의 과학의 시작이라고 볼 수도 있지만 근대적인 의미에서의 과학은 갈릴레오 갈릴레이의 이론에서부터 시작했다고 할 수 있다. 이런 맥락에서 입자 물리학이라는 분야가 갈라지게 된 것은 2차대전 이후라고 할 수 있으며, 가장 작은 의미에서의 입자 물리학은 1970년대 즈음으로 핵물리학과 분명히 구별되기에 이르렀다. 입자 물리학사에서 중요한 사건은 다음과 같다

• 운동 법칙 확립 갈릴레오 갈릴레이와 아이작 뉴턴
• 중력 정립 아이작 뉴턴
• 전자기 정립 제임스 클러크 맥스웰
• 전자의 발견 J. J. 톰슨
• 산란 실험 어니스트 러더퍼드
• 1905년 특수상대성이론 알베르트 아인슈타인, 헨드릭 안톤 로런츠
• 1915년 일반상대성이론
• 1925년경 양자역학의 발전 하이젠베르크,슈뢰딩거,디락
• 쿼크의 제창과 발견
• 1960년대 표준모형의 제창: 압두스 살람, 셸던 글래쇼, 스티븐 와인버그
• Z보존의 발견과 표준 모형의 검증
• 1999년 중성미자 진동의 발견

통일 이론을 향하여

입자 물리학 뿐 아니라 모든 물리 법칙은 복잡한 사실을 단순한 설명으로 묶는 작업이었다. 이런 맥락에서 물리학은 통일 이론의 추구라고 할 수 있다. 뉴턴 역학은 천체 물리학과 지표면의 낙하 운동의 통일 이론이고, 맥스웰의 전자기 이론은 전기와 자기를 통합한 이론이다. 또한 표준 모형은 전자기력과 약한 상호작용을 통합한 이론이므로 전약력의 이론이라고도 한다.

현재 가장 큰 이슈가 되고 있는 통일 이론은 대 통일 이론(Grand Unified Theory:GUT)라고 불리는 것으로, 표준 모형의 모든 힘을 하나의 힘으로 통합하는 것이다. 표준모형의 기반이 리 대수의 변환성질이므로 더 큰 단순 리대수로 힘을 기술하는 작업이라 할 수 있다.

여기에 중력까지 통합하는 이론을 가칭 모든 것의 이론(Theory of Everything:TOE)라고 한다. 이에 대한 후보로 끈이론이 있다.

커다란 실험장치

입자물리학의 실험은 기본입자를 찾는 일이다. 기본적으로 현대의 입자 실험 물리학은 어니스트 러더퍼드의 산란 실험을 확장한 것이다. 즉 아주 속도가 높은 입자를 대상이 되는 물질과 충돌시켜서 발생하는 파편들을 분석하고 거꾸로 재구성해서, 대상 물질의 구조를 알아내는 것이다. 더 작은 구조를 알기 위해서는 더욱 속도가 높은 입자들이 필요하다. 이를 위해 입자 가속기를 사용하는데, 더 빠른 속도를 얻기 위해서는 더 큰 가속기가 필요하다. 현재 가장 큰 입자 실험 장치는 스위스와 프랑스의 국경에 있는 유럽 입자 물리 연구소(CERN)이다. 이 실험장치는 원형으로 생겼으며 지름이 8km에 이른다.

세계에 있는 실험기관들은 다음과 같다:

• 유럽 입자 물리 연구소(CERN), 프랑스와 스위스의 국경인 제네바에 있다. 중요한 실험은 LEP, 즉 거대 전자 양전자 충돌장치이다. 이는 2001년에 중단되었으며 LHC, 즉 거대 하드론 충돌장치로 업그레이드 되었다. 2010년 가동을 시작하였으며, 2012년 7월에 히그스 보손의 강한 증거를 발견하였다. 소설 천사와 악마의 무대가 되기도 했다.
• 독일 전자 싱크로트론(DESY), 독일의 함부르크에 있다. 중요한 실험은 HERA(하드론 전자 링 장치)이며, 이는 전자와 양성자를 충돌시키는 장치이다.
• 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)는 미국의 멘로 파크에 있다. 주요 기구는 PEP-II이며 전자와 양전자 충돌 실험을 주로 한다.
• 페르미랩(Fermilab)는 미국의 시카고 인근 바타비아에 있다. 현재 주요 기구는 테바트론(Tevatron))이고 양성자와 반양성자를 충돌시킨다. 이휘소 박사가 이론 그룹의 리더를 맡았던 곳이고, 김영기 박사가 CDF 실험 그룹의 공동 대표로 재직했으며, 현재 연구소 부소장을 맡고 있다.
• 브룩헤이븐 국립 연구소는 미국 롱 아일랜드에 있다. 주요 기구는 (최초의) 상대론적 무거운 이온 충돌기이고, 금과 같은 무거운 이온을 충돌시킨다.
• 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 미국 최초의 국립연구소로 1946년 설립. 미 중부 일리노이의 Argonne에 소재. 시카고대학의 금속공학과가 전신이며 현재 고에너지물리학 분야에서는 MINOS, CDF, ATLAS, ZEUS 등 다양한 실험에 참여하고 있다.
• 부즈커 핵물리 연구소이고 러시아의 노보시비르스크에 있다.
• 일본 고에너지 연구소(KEK) 일본의 쯔쿠바에 있다. 현재는중성미자 진동 실험인 K2K와 B 중간자의 CP 비대칭성을 재는 Belle 실험이 진행되었고, 이 실험의 성능을 향상시키는 작업이 진행중이다.
• 일본 양성자 가속기 연구소(J-PARC) 일본의 토가이무라에 있다. 일본 고에너지 연구소 (KEK)와 일본 원자력 기구(JAERI)가 공동을 출자하여 만들어진 연구소 이다. 50 GeV 양성자 충돌 가속기를 보유하고 있다. 이 가속기를 이용하여 중성미자 진동 실험인 T2K 를 진행중이며, 기타 핵물리 및 입자물리학 실험이 진행중이다. 2011년 동일본 대지진 으로 시설의 피해를 겪기도 했다.
• 중국 고에너지물리 아카데미(IHEP) 중국의 북경에 있다. 현재 charm 중간자 실험인 BES3 실험이 진행중이며, 이를 수행하는 전자 양전자 충돌장치인 BEPC 가 있다.

참고

위키미디어 공용에 관련 미디어 자료가 있습니다. 입자물리학

스티븐 와인버그, 아원자 입자를 찾아서, 민음사.