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세상만물을 이루는 입자와 힘 이야기 - 물리학 표준모형 이론

입자물리학의 표준 모형을 알기 쉽게 설명해 드립니다. 표준 모형은 크게 물질을 구성하는 페르미온과 힘을 전달하는 보손으로 구성됩니다. 페르미온은 6가지 쿼크와 6가지 렙톤이 있고 보손은 전자기력, 강력, 약력에 관여하는 4가지가 있습니다. 그리고 힉스 입자도 있죠. 자세한 내용은 아래 상세 설명을 참고하시기 바랍니다. CREDITS: Fermilab (크리에이티브 커먼즈 재사용 허용 영상의 설명 내용과 일부 영상 활용) [상세 설명] 수증기와 물 그리고 얼음은 성질이 완전히 다릅니다. 하지만 셋 다 똑같은 물이죠. 그리고 알루미늄 캔과 플라스틱 컵도 사실은 같은 걸로 만들어졌습니다. 그런데 놀랍게도 물과 알루미늄 캔도 근본적으로 같은 것입니다. 사실, 이런 얘기들은 하나의 질문으로 정리될 수 있죠 세상은 무엇으로 만들어졌고 그것을 지배하는 규칙은 무엇인가? 지난 50년 동안 과학은 매우 빠르게 발전했습니다 최신의 과학 이론은 원자의 행동에서 별이 타오르는 현상까지 설명할 수 있죠 이 이론의 이름은 입자 물리학의 표준 모형 또는 간단히 표준 모형입니다 표준 모형을 이해하려면 먼저 기본적인 몇 가지 지식을 떠올려야 합니다 우리는 화학 시간에 세상의 모든 것이 약 100개의 원소로 되어 있다고 배웠죠 화학을 배우지 않았어도 모든 물질은 원자로 이루어져 있다고 들으셨을 겁니다. 이와 같은 원자는 다양한 원소의 가장 작은 예이며 우주만물의 재료로 충분히 생각할 수 있습니다 그러나 거의 1세기 전에 물리학자들은 이것이 끝이 아님을 깨달았습니다 원자의 핵이 양성자와 중성자라고 불리는 두 개의 입자로 만들어진다는 사실을 알아냈죠 100개의 원소가 아니라 양성자, 중성자, 전자 3개의 아원자만으로도 우주 전체를 구성할 수 있는 것이죠 그런데 1940년대에서 60년대 사이에 입자 가속기 실험에서 더 많은 아원자 입자가 발견됐습니다 분명히, 이를 설명할 또 다른 통찰력이 나와야 할 차례였죠 1960년대 중반에 현대의 아원자 영역에 대한 이론이 개발되기 시작했습니다 물리학자들은 결국 양성자와 중성자가 더 작은 물질로 만들어졌음을 알아냈죠 이 작은 물체를 쿼크라고 합니다 쿼크와 같이 근본적인 입자라고 생각되는 것들을 기본 입자라고 합니다. 이러한 기본 입자와 입자 간의 상호작용을 집대성한 이론이 바로 표준모형이죠. 기본 입자는 크게 페르미온과 보손으로 범주를 나눕니다. 여기에는 입자의 특성 중 하나인 스핀이 기준이 됩니다. 모든 입자는 스핀이 정수이거나 반정수이죠. 스핀은 양자역학에서 입자의 운동과 무관한 고유 각운동량입니다. 예를 들어, 전자는 스핀이 1/2이고 광자는 1입니다. 하지만 입자가 실제로 어떤 축을 중심으로 회전하는 것은 아닙니다. 스핀이 반정수인 입자를 페르미온이라 하고 정수인 입자를 보손이라고 합니다. 페르미온은 또한 쿼크와 렙톤으로 나누어지는데요, 쿼크는 강한 핵력의 영향을 받는 입자이고 렙톤은 그렇지 않습니다. 우리는 이제 6가지 유형의 쿼크를 알고 있습니다 위, 아래, 맵시, 기묘, 꼭대기와 바닥 쿼크입니다 위아래 쿼크는 양성자와 중성자 내부에서 발견되지만 다른 것들은 입자가속기 내의 수많은 실험에서 나왔습니다 렙톤에는 가장 친숙한 전자를 비롯해 총 6개가 있습니다 이 중 3개는 전하를 띠며 전자, 뮤온 및 타우입니다 다른 3개는 중성미자이며 전기적으로 중성입니다 쿼크와 렙톤에는 우리가 아는 모든 입자가 포함됩니다 그리고 쿼크와 렙톤은 세 세대로 나뉩니다. 각 세대의 서로 대응되는 입자는 질량을 제외하고는 같은 성질을 지니죠. 위, 아래 쿼크와 전자는 우주의 근본 재료라 할 수 있습니다 다른 9개의 입자는 모두 입자가속기에서 관찰되었습니다 페르미온이 만물의 기초 재료라 한다면 보손은 자연의 힘입니다. 힘이 없으면 입자들은 우주를 돌아다니며 서로 작용하지 않습니다 만약 쿼크와 렙톤이 서로 붙어 있지 않으면, 원자가 존재하지 않고 결과적으로 우리도 없을 것입니다 물리학자들은 네 가지 힘을 알고 있습니다 가장 친숙한 힘은 중력입니다 중력은 우리를 지구에 붙어 있게 하고 하늘의 별과 행성의 경로를 지배합니다 하지만 중력은 실제로 매우 약한 힘이며 양자 영역에서 어떻게 작용하는지 아직 모릅니다 다음으로 가장 잘 알려진 힘은 전자기력입니다 전자기력은 물론 전기와 자기를 담당하지만 빛이 존재하는 이유이며, 세상을 만드는 물질이라는 관점에서 가장 중요한 힘인데요, 바로 전자를 원자핵에 결합시켜 원자를 만들기 때문입니다 전자기력은 모든 화학 작용을 담당합니다 다른 두 힘은 우리에게 익숙하지 않습니다. 첫 번째는 강한 핵력 즉 강력이며, 양성자와 중성자 내부에서 쿼크를 묶으며 물리학자들이 발견한 다른 입자들을 결합하는 힘입니다 약한 핵력 즉 약력은 일부 유형의 방사성 붕괴에 관여하며 태양이 연소하는 과정에 작용합니다 2개의 양성자가 약력으로 상호작용하여 중수소 핵을 형성하고 이후에 추가 반응하여 많은 양의 에너지를 방출하며 헬륨이 생성되죠 이 네 가지 힘은 매우 성질이 다릅니다 중력과 전자기력은 먼 곳까지 힘이 미칩니다 태양의 중력은 먼 명왕성의 경로에 영향을 미치죠 반면에, 약력과 강력은 양성자 크기보다 작은 거리에만 의미있는 영향을 미칩니다 원자보다 더 먼 거리에서는 이러한 핵력이 본질적으로 존재하지 않습니다 힘의 강도도 차이가 큽니다 강력의 강도를 1이라고 하면 전자기력 강도는 약 100분의 1입니다 약력의 강도는 약 100,000분의 1입니다 그리고 두 입자 사이의 중력의 강도는 1에 0이 40개 붙은 숫자분의 1입니다 이러한 중력의 미약함은 입자가속기에서 연구할 수 없으며 현재까지 거대한 수수께끼입니다 우리는 왜 중력이 다른 힘보다 훨씬 약한지 알지 못합니다 중력은 현재 표준 모형의 일부가 아닙니다 이 힘들은 어떻게 작용할까요? 미세 영역에서 우리는 힘을 생각하는 방식을 바꿔야 합니다 양자 규모에서 힘은 입자 교환을 통해 발생합니다 이것이 어떻게 작동하는지 이해하려면 배에 서서 누군가가 던진 무거운 자루를 받는다고 상상해 보세요 배는 힘이 작용한 듯 움직일 것입니다 마찬가지로 배에서 무거운 자루를 던질 때도 배가 움직입니다 모든 아 원자력은 다른 종류의 입자를 교환함으로써 작용합니다 그 입자들은 강력은 글루온, 전자기력은 광자, 약력은 W 보손 및 Z 보손입니다 물리학자들은 중력을 전달하는 중력자라는 입자를 추측하지만 아직 입증되지 않았습니다 표준 모형의 모든 기본 입자들에는 반입자라 부르는 형태도 있습니다. 반입자는 입자와 모든 것이 동일하고 오직 전하만 반대입니다. 반입자로 구성된 물질을 반물질이라고 합니다. 세상에 왜 물질이 대부분이고 반물질은 거의 없는지는 아직 알아내지 못했습니다. 자 이제 힉스 입자만 남았습니다 물리학자인 피터 힉스의 이름을 붙인 입자인데요, 힉스 장은 기본 입자들에게 질량을 부여합니다. 기본 입자가 힉스 장과 상호작용하여 질량을 갖게 됩니다. 힉스 장과 상호작용하지 않는 광자는 질량이 0이죠 자, 지금까지 표준 모형을 설명해 드렸습니다 요약하면 12개의 물질 입자가 4개 입자의 교환으로 발생되는 3개 힘에 지배를 받습니다 이들 재료를 올바른 요리법으로 조리하면 우주를 만들 수 있죠 입자가속기를 사용한 실험은 놀라운 정밀도로 표준 모형 이론을 완성했습니다 하지만 여러분이 이제 해결해야 할 수수께끼가 없다고 생각하지 말기를 바랍니다 표준 모형이 지금까지 고안된 가장 성공적인 이론이지만 여전히 탐구해야 할 영역이 있습니다 우리는 여전히 질량의 기원에 대해 배울 것이 많습니다. 또한, 왜 12개의 입자가 있는지, 왜 쿼크와 렙톤이 다른지 이해하지 못하죠 우리는 왜 네 개의 힘이 있고 중력이 어떤 자리에 들어맞는지 모릅니다 해결해야 할 흥미로운 수수께끼가 많이 있습니다.