입자물리학

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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.

목차 1 표준 모형 2 역사 3 통일 이론을 향하여 4 커다란 실험장치 5 참고

[편집] 표준 모형

이 부분의 본문은 표준모형입니다.

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 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.

[편집] 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 특수 상대성 이론 알베르트 아인슈타인, 헨드릭 안톤 로런츠
• 1915년 일반 상대성 이론
• 1925년경 양자역학의 발전 하이젠베르크,슈뢰딩거,디락
• 쿼크의 제창과 발견
• 1960년대 표준모형의 제창 압두스 살람, 글라쇼, 와인버그
• Z보존의 발견과 표준 모형의 검증
• 1999년 중성미자 진동의 발견

[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 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.

[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 되었다. 이는 2009년 가동 예정이다. 소설 천사와 악마의 무대가 되기도 했다.
• 독일 전자 싱크로트론(DESY), 독일의 함부르크에 있다. 중요한 실험은 HERA(하드론 전자 링 장치)이며, 이는 전자와 양전자를 충돌시키는 장치이다.
• 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)는 미국의 팔로 알토에 있다. 주요 기구는 PEP-II이며 전자와 양전자 충돌 실험을 주로 한다.
• 페르미랩(Fermilab)는 미국의 시카고 근처에 있다. 현재 주요 기구는 테바트론(Tevatron))이고 양성자와 반양성자를 충돌시킨다. 이휘소 박사가 이론 그룹의 리더를 맡았던 곳이고, 현재 CDF 실험 그룹의 공동 대표는 김영기 박사이다.
• 브룩헤이븐 국립 연구소는 미국 롱 아일랜드에 있다. 주요 기구는 (최초의) 상대론적 무거운 이온 충돌기이고, 금과 같은 무거운 이온을 양성자에 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 Belle이 있다.

[편집] 참고

위키미디어 공용에 관련 미디어 자료가 있습니다. 입자물리학

스티븐 와인버그, 아원자 입자를 찾아서, 민음사.

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