입자물리학

위키백과 ― 우리 모두의 백과사전.

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 설명하는데 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.

[편집] 표준 모형

지금까지, 실험으로 검증된 엄밀한 의미에서의, 가장 근본적인 설명은 입자 물리학의 표준모형이다. 이 우주는 쿼크와 렙톤이라는 기본적인 물질로 이루어져 있으며 이들의 상호작용은 강한 힘, 약한 힘, 전자기력 그리고 중력이라는 네 가지 힘으로로 기술된다. 앞의 세 이론은 양자 마당 이론으로 잘 기술되고 있으며 중력은 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 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.

더 자세한 내용은 표준모형 항목을 참조하시오.

[편집] 역사

역사적으로 볼 때 탈레스(Tahles)의 질문에서 나온 생각, 즉 모든 것은 물이다라는 명제가 구체적인 형태의 과학의 시작이라고 볼수도 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

[편집] 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 리대수의 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.

[편집] 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 양성자 충돌장치이다. 이는 2001년에 중단되었으며 LHC, 즉 거대 하드론 충돌장치로 업그레이드 되고 있다. 이는 2007년 가동 예정이다.
독일 전자 싱크로트론(DESY), 독일의 함부르크에 있다. 중요한 실험은 HERA(하드론 전자 링 장치)이며, 이는 전자와 양전자를 충돌시키는 장치이다.
SLAC, located near Palo Alto, USA. Its main facility is PEP-II, which collides electrons and positrons.
페르미 연구소, located near Chicago, USA. Its main facility is the Tevatron, which collides protons and antiprotons.
Brookhaven National Laboratory, located on Long Island, USA. Its main facility is the Relativistic Heavy Ion Collider, which collides heavy ions such as gold ions (it is the first heavy ion collider) and protons.
Budker Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk, Russia)
KEK The High Energy Accelerator Research Organization of Japan located in Tsukuba, Japan. It is the home of a number of interesting experiments such as K2K, a neutrino oscillation experiment and Belle, an experiment measuring the CP-symmetry violation in the B-meson.