표준 모형
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소립자 물리학의 표준 모형(標準模型 ; Standard Model)은 자연계의 기본 물질과 그들의 상호작용 중 중력을 제외한, 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용을 게이지 이론으로 기술하는 양자 마당 이론이다.
물질을 이루는 기본 입자오 힘을 매개하는 입자를 구성 단위로 하여, 이들의 상호작용을 내용으로 한다. 기본 물질은 쿼크와 렙톤(전자를 확장한 것)이며, 각 힘을 군론으로 설명하며 이에 해당하는 기본 입자들이 있다. 실험적으로는 1980년대에 완성되었으며, 힉스 입자만 발견되지 않은 상태로 남아 있다.
[편집] 표준 모형의 내용
표준 모형에서 모든 기본 물질(소립자)은 점입자로 표현되며 보존인 힉스 보존을 제외하면 모두 페르미온이다. 힘의 매개체는 게이지 보존 이다. 페르미온은 정수+1/2의 스핀(즉 1/2, 3/2 등)을 갖고, 파울리 배타 원리를 따르는 입자다. 따라서, 페르미온은 동일한 양자상태에 여럿이 같이 있는 것이 불가능하다. 보존은 정수배의 스핀을 갖고, 파울리의 배타 원리와는 상관없이 행동한다.
이들 소립자의 상호작용은 게이지 보존에 의해 매개되고, 리대수(Lie algebra)로 나타낼 수 있는 무리의 대칭성을 통해 기술된다. 즉, 강한 상호작용(Strong interaction)은 SU(3)라는 리 대수의 대칭성을 통해, 약전자기력(Electroweak interaction)은 SU(2)와 U(1)의 대칭성을 통해 기술된다. 자발적 대칭 깨짐(Spontaneous Symmetry Breaking)에 의해 약전자기력은 약한 상호작용에 적용되는 SU(2)의 대칭성이 깨어진 채, 전자기 상호작용에만 해당되는 U(1)의 대칭성만 가지게 된다. 아래 표에서 볼 수 있듯, 강한 상호작용에 의한 변환은 기본표현에서 3개가 한 묶음이며 각각을 편의상 색전하 빨강, 색전하 초록, 색전하 파랑이라고 부르지만 우리가 보는 색과는 관계가 없다. 이러한 이유로 강한 상호작용을 기술하는 양자 마당 이론을 양자색역학(Quantum Chromodynamics : QCD)이라고 부르기도 한다. 약전자기력의 변환은 기본표현으로 2개가 한 묶음이며 각각을 편의상 돌스핀 +1/2, 돌스핀 -1/2이라고 부른다. 표에서 볼 수 있듯이 쿼크와 경입자 모두 약한 상호작용을 하게 되나 강한 상호작용은 쿼크만 가능하다.
| 페르미온 | 기호 | 전하 | 돌스핀 | 색전하 | 질량 |
| 1세대 | |||||
| 전자 | e- | -1 | -1/2 | 0 | 0.511 MeV |
| 전자 중성미자 | νe | 0 | +1/2 | 0 | < 50 eV |
| 위(up) 쿼크 | u | +2/3 | +1/2 | 빨강/초록/파랑 | ~5 MeV |
| 아래(down) 쿼크 | d | -1/3 | -1/2 | 빨강/초록/파랑 | ~10 MeV |
| 2세대 | |||||
| 뮤온 | μ- | -1 | -1/2 | 0 | 105.6 MeV |
| 뮤온 중성미자 | νμ | 0 | +1/2 | 0 | < 0.5 MeV |
| 맵시(charm) 쿼크 | c | +2/3 | +1/2 | 빨강/초록/파랑 | ~1.5 GeV |
| 야릇한(strange) 쿼크 | s | -1/3 | -1/2 | 빨강/초록/파랑 | ~100 MeV |
| 3세대 | |||||
| 타우온 | τ- | -1 | -1/2 | 0 | 1.784 GeV |
| 타우온 중성미자 | ντ | 0 | +1/2 | 0 | < 70 MeV |
| 꼭대기(top) 쿼크 | t | +2/3 | +1/2 | 빨강/초록/파랑 | 178 GeV |
| 바닥(bottom) 쿼크 | b | -1/3 | -1/2 | 빨강/초록/파랑 | ~4.7 GeV |
참고: 전자와 중성미자 등 강한 상호작용을 하지 않는 페르미온들을 경입자라고 통틀어 부른다.
| 상호작용 | 게이지 군 | 보존 | 기호 | 전하 | 질량 |
| 전자기력 | U(1) | 광자 | γ | 0 | 0 |
| 약한 상호작용 | SU(2) | Z보존 | Z0 | 0 | 91.19 GeV |
| W보존 | W± | ±1 | 80.2 GeV | ||
| 강한 상호작용 | SU(3) | 글루온 | g | 0 | 0 |
참고: 글루온은 총 8개가 있다. 글루온을 통해 쿼크의 색깔은 바뀔 수가 있는데, 3가지의 색을 다른 3가지로 바꾸는 조합은 9가지이지만 그 중 하나는 색깔을 변화시키지 않고 그대로 두는 변환 (이는 U(1)의 변환에 속하게 된다.) 이므로 이를 배제한 나머지는 8개가 된다. 같은 방식으로 표에서 볼 수 있듯 약한 상호작용을 나태내는 보존은 총 3개가 있다.
[편집] 도전
지금까지 이 이론은 입자물리학의 거의 모든 실험결과를 큰 무리없이 설명하고 있다. 그러나, 표준모형은 모든 현상을 설명하는 궁극적인 이론은 아니다. 왜냐하면, 아직 표준 모형은 양자 마당 이론으로 아직 제대로 설명하지 못하는 중력을 배제하고 있으며, 최근 확인된 중성미자의 질량을 어떤 방식으로 표준 모형에 도입해야 하는지에 대해서 아직 제대로 설명되지 않았다. 또한 표준모형에서 다른 소립자들의 질량의 근원이 되는 힉스입자의 위계문제(hierarchy problem)로 인하여 대다수의 입자 물리학자들은 표준모형이 궁극적인 이론이 아니라 일종의 유효이론(effective theory)에 불과할 뿐이며, 더욱 높은 에너지로 올라가게 되면 표준모형의 설명범위를 넘어서는 또다른 새로운 물리현상이 나타나리라고 기대하고 있다.
[편집] 바깥 고리
- The Review of Particle Physics(英)(소립자 물리학의 총론) -- 2002년까지의 소립자 실험과 이론을 정리한 논문)
