입자물리학
- 우주의 근본 물질과 근본 법칙에 대해 연구하는 물리학 분야
- 1930년대 ~ 1970년 대에 발전
표준모형
수많은 입자물리학자들이 모여 1970년대에 완성한 양자장론
1) 페르미온
: 우주는 여섯 종류의 쿼크와 여섯 종류의 렙톤이라는 근본물질로 이루어져있다.
2) 이들 사이에는 네 가지의 근본적인 힘이 작용한다
: 중력, 전자기력, 약력, 강력
3) 보손
: 힘을 매개하는 입자들이 존재
: 쿼크, 랩톤과 같은 근본물질에 질량을 주는 힉스입자는 존재할 것이다.
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우주의 근본 물질(쿼크와 렙톤)
원자의 종류가 100종류가 넘었는데...
원자보다 더 궁극적인 물질이 있을 것이라는 추측을 통해
내부구조를 분석하게 된다.
원자를 자세히보면 양성자, 중성자 등이 있다는 것을 확인하고
하지만, 양성자와 중성자도 근본물질을 갖고 있다.
그것이 바로 쿼크라는 물질이다.
- 양성자 : u쿼크 2개 + d쿼크 1개
- 중성자 : u쿼크 1개 + d쿼크 2개
로 구성되어 있다.
분자는 원자
원자는 원자핵 + ㅈ전자
원자핵은 양성자, 중성자
양성자, 중성자는 쿼크
* 쿼크(Quark), 랩톤(Lepton)의 종류 *
* 1세대
: 1세대 보통물질
- Up쿼크, Down쿼크, 전자(electron), 전자중성미자(e-Neturino)
* 2세대, 3세대
: 에너지가 크면 생긴다. 1세대와 비슷한 성질을 가지며 질량이 크다.
※ 쿼크와 랩톤에 응하는 반물질(AntiQuark, AntiLepton)이 있다.
왜 3세대가 있는지 모른다.
현재 연구중이라고 한다.
이를 입자물리의 세대 문제라고 한다.
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4가지의 근본적인 힘
* 힘의 크기 부등식 *
중력 < 양력 < 전자기력 < 강력
1) 중력 = 만유인력, 가장약한 힘
: 작용(질량), 세기(10^-41), 힘의 거리(무한대), 전달자(중력자)
2) 약력
: 작용(쿼크, 렙톤), 세기(10^-6), 힘의 거리(10^-18미터), 전달자(W,Z 보존)
3) 전자기력 = 전하를 가지고 있는 입자
: 작용(하전입자), 세기(1/137), 힘의 거리(무한대), 전달자(광자)
4) 강력 = 가장 강한 힘
: 작용(쿼크와 쿼크), 세기(1), 힘의 거리(10^-15미터), 전달자(글루온)
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약력 : 방사능을 일으키는 힘
- 무거운 쿼크와 렙톤이 가벼운 쿼크와 렙톤으로 붕괴하면서 방사능을 발생시키는 힘
- 별이 오래도록 에너지를 내게 하는 원인
- 원자핵이 다른 종류의 원자핵으로 붕괴하며 방사능을 낸다.
베타붕괴
-중성자가 양성자로 붕괴하면서 전자와 반중성미자를 내를 것
- 방사능을 내는 대표적인 반응
- 베타선을 방출한다.
약력의 성질
1. 힘이 매우 약하고 미치는 거리가 매우 짧다.
- 일상에서는 느끼지 못한다.
- W, Z보존이 무겁다.
2. 좌우 대칭성이 깨져 있다.
약력은 왼쪽과 오른쪽에 다르게 작용
3. 양력이 작용하면 다른 대칭성도 깬다.
물질- 반물질 대칭성 파괴
시간의 대칭성 파괴
그러나 동시에
왼쪽을 오른쪽으로,
물질을 반물질로,
시간을 거꾸로 돌리면 대칭이 성립된다.
※ 방사능의 종류
1. 자연 방사능
- 자연에서도 많이 발생함
- 우주에서 유입되는 것이 대부분(Cosmic Ray)
- 바위에 포함된 동위원소 : 우라늄, 토륨, 칼륨 등
- 공기 중의 라돈
2. 인공 방사능
- X-ray, CT촬영
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강력과 쿼크
쿼크와 쿼크사이에서 작용하는 힘
Q. 핵 내부의 양성자는 왜 서로 밀쳐내지 않는가?
A. 강력이 있기 때문이다.
쿼크를 묶고, 글루온은 강력의 힘을 전달하는 입자다.
힘이 너무 강해서
원자폭탄, 핵발전소에 사용함
강력이 있기 때문에 다양한 원자가 생성된다.
* 강력이론 : 양자색역학(QCD : Quantum ChromoDynamics) *
- 쿼크는 색깔이 있는 입자다.(겔만이라는 학자가 임의로 붙임)
쿼크와 반쿼크 사이에는 색이 작용한다.
반쿼크는 쿼크색에 보색이 적용된다.
쿼크는 빨강, 초록, 파랑
반쿼크는 반빨강, 반초록, 반파랑이다.
* 쿼크의 성질 *
1. 절대로 혼자만 존재하지 않는다.(Quark Confinement)
: 여러 개의 쿼크가 모여 각각의 색깔이 합쳐져 흰색이 될 때만 자유 입자가 된다.
빨강(쿼크)+ 초록(쿼크) + 파랑(쿼크) = 흰색(양성자, 중성자)
빨강(쿼크) + 빨강의 보색(반쿼크) = 흰색(중간자)
2. 글루온이 고무줄같이 늘어나는 성질이 있다.
점근적 자유성(Asymptotic Freedom)
가까이 있으면 힘이 거의 작용하지 않고, 멀어질 수록 강하게 끌어당긴다.
입자를 분리하기 위해 쿼크 사이를 끊었더니
자석처럼 각 쿼크가 반반 나온다.
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힘의 통일
계속 많은 사람들은 중력, 약력, 전자기력, 강력이라는
4가지의 힘을 통일하려고 한다.
그리고 통일된 힘의 결과물이 몇가지 있다.
* 전자기력 *
전기력 + 자기력
1864년 맥스웰이 했다.
* 전자약력 *
전자기력 + 약력
1962 ~ 1968년에 글래쇼, 와인버그, 살람이 발표
- 실험적 증거 드러남
- 이휘소가 일반적인 이론 완성
- 현재의 시점에서 분리되는 힘
- 우주 초기에 통합되었던 힘(글래쇼-와인버그 이론)
- 벨트만, 엇호프트가 문제시되던 부분을 해결하는 논문 발표
계속 많은 사람들은 중력, 약력, 전자기력, 강력이라는
4가지의 힘을 통일하려고 한다.
그리고 통일된 힘의 결과물이 몇가지 있다.
* 전자기력 *
전기력 + 자기력
1864년 맥스웰이 했다.
* 전자약력 *
전자기력 + 약력
1962 ~ 1968년에 글래쇼, 와인버그, 살람이 발표
- 실험적 증거 드러남
- 이휘소가 일반적인 이론 완성
- 현재의 시점에서 분리되는 힘
- 우주 초기에 통합되었던 힘(글래쇼-와인버그 이론)
- 벨트만, 엇호프트가 문제시되던 부분을 해결하는 논문 발표
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