입자물리학

질량을 표현할 때 $$\mathrm{ MeV}/c^2$$ 혹은 $$\mathrm{GeV}/c^2 $$라는 단위를 활용한다. $$ 1\ \mathrm{eV} $$는 정지한 전자 하나에 1 볼트의 전압을 가했을 때 전자가 얻는 에너지이며, 에너지 단위인 $$\mathrm{J}$$로 환원하면 $$ 1\ \mathrm{eV} = 1.6 \times 10^{-19}\ \mathrm{J} $$이다. $$\mathrm{MeV}$$는 에너지 단위로 $$ 1\ \mathrm{ MeV} = 10^6 \ \mathrm{eV}$$이며, $$\mathrm{GeV}$$는 에너지 단위로 $$ 1\ \mathrm{ GeV} = 10^9 \ \mathrm{eV}$$이다. $$c$$는 빛의 속도($$3 \times 10^8 \ \mathrm{m/s^2}$$)이다.
에너지를 빛의 속도로 나눈 값을 질량으로 표현하는 이유는 특수상대성이론에서 에너지는 질량과 빛의속도 제곱으로 나타낼 수 있다는 특징에 기인하며, 자연단위(Natural unit)를 사용할 경우 더욱 간단하게 표현이 가능하다. 자연단위에서는 빛의 속도를 1이라는 단위가 없는 물리량으로 다루어서 생략(질량에 빛의 속도를 포함해 재정의하기 때문에 빛의 속도란 물리량이 없어진 것은 아니다)하면 여러모로 표기상 편하고, 단위를 질량의 승수로 구분할 수 있기 때문에 입자물리학자들이 자주, 그리고 많이 사용한다.
쿼크중에서 아주 무거운 쿼크들을 제외하고 가벼운 쿼크들의 질량값에는 상대적으로 큰 오차가 있는데, 이것은 쿼크들이 단독으로 자연계에 존재하지 않고, 다른 쿼크들과 묶여서 중간입자(메존, meson)나 바리온(baryon)으로 나타나기에, 쿼크 하나의 물리량을 측정하기가 어렵기 때문이다.
질량을 설명할 때 비교대상이 되는 양성자의 질량은 $$938.272081 \pm 0.000006\ \mathrm{MeV}/c^2$$이고, 중성자의 질량은 $$939.565413 \pm 0.000006\ \mathrm{MeV}/c^2$$이다.
참고로 아래에 후술된 쿼크들의 반쿼크를 영어로 anti-quarks라고 한다. 전하량을 가진 기본입자들이 동일한 질량과 항상 전하가 반대인 반입자를 가지는 특성에 따라서 각 anti-quarks는 해당 쿼크의 동일한 질량과 반대되는 전하량를 가진다. up, charm, top quark의 전하량이 $${2 \over 3}$$ 이므로, 이것들의 반쿼크는 전하량이 $$-{2 \over 3}$$ 이다. 마찬가지로 down,strange, bottom quark의 반쿼크의 전하량은 $${1 \over 3}$$ 이다.

3.1.1. 1세대

up quark(위 쿼크)[u] : 양성자, 중성자를 이루는 기본입자로 스핀이 1/2인 페르미온이며, 전하량이 $${2 \over 3}$$ 이다. 질량은 $${2.2^{+0.6}_{-0.4} }$$ MeV/$$c^2$$으로 쿼크중에서 가장 가볍다. 위 쿼크를 발견할 때, 아래 쿼크랑 같이 묶여서 중간입자(메존)나 바리온과 같은 입자의 구성입자로 존재하기 때문에 질량측정이 비교적 부정확하다.
down quark(아래 쿼크)[d] : 양성자, 중성자를 이루는 기본입자로 스핀이 1/2인 페르미온이며, 전하량이 $$- {1 \over 3}$$이다. 질량은 대략 $$4.7^{+0.5}_{-0.4}$$ MeV/$$c^2$$으로 쿼크중에서 두번째로 가볍다. 아래 쿼크를 발견할 때, 위 쿼크랑 같이 묶여서 중간입자나 바리온과 같은 입자의 구성입자로 존재하기 때문에 질량측정이 비교적 부정확하다.

3.1.2. 2세대

charm quark(맵시 쿼크)[c] : 스핀이 1/2인 페르미온이고, $${2 \over 3}$$ 의 전하량을 갖고있다. 질량은 $$1.28 \pm 0.03 $$ GeV/$$c^2$$로 양성자 보다 무겁다. 1974년에 존재가 증명되었다.
strange quark(기묘 쿼크)[s] : 스핀이 1/2이고, $$- {1 \over 3}$$의 전하량을 갖고 있다. 질량은 $$96^{+8}_{-4} $$MeV/$$c^2$$ 으로 양성자보다는 가볍다. Strange라는 이름이 붙은 까닭은 이 쿼크로 만들어진 중간입자(메존)의 생존시간이 다른 입자로 구성된 중간입자보다 월등히 길기에 붙여졌다. 처음에 이를 해명하기 위해서 기묘도(strangeness)라는 하는 양자수를 도입했으며, 야릇한 쿼크의 기묘도는 $$-1 $$이다. (기본 입자를 참조)

3.1.3. 3세대

top quark(꼭대기 쿼크)[t] : 스핀이 1/2인 페르미온이고 전하량은 $${2 \over 3}$$인 입자이다. 질량은 측정방법에 따라 상이하지만, 대체로 $$ 173.1\pm 0.6 GeV$$다. 이는 양성자 질량의 대략 200배에 가까우므로 매우 무겁다. 따라서 이 쿼크를 만들려면 충돌 에너지가 매우 높아야 했다. 그래서 쿼크중 가장 마지막으로 1995년에 발견되었다. 한편, 이 질량이 매우 무겁다라는 특징 때문에 쿼크들 중에서는 힉스입자와 상호작용을 가장 크게 한다.
bottom quark(바닥 쿼크)[b] : 스핀이 1/2인 페르미온이고 전하량은 $$-{1 \over 3}$$인 입자이다.질량은 양성자의 대략 5배에 가까운 $$ 4.18^{+0.04}_{-0.03} GeV $$이고, 1977년에 존재가 증명되었고, 쿼크중에서는 다섯번째로 발견되었다.

3.2. 렙톤

렙톤을 번역하여 경입자 라고 부른다. 각각의 전하를 띈 렙톤에 대응하는 중성미자가 존재한다. 상대적으로 양성자에 비해 가볍다라는 뜻으로 경입자(렙톤)란 이름을 지었지만, 정작 양성자보다 무거운 타우 렙톤이 등장해서 입자 물리학자들 입장에서는 웃픈상황이 생겼다. 전하를 띈 렙톤의 전하량은 모두 -1이고, 그 자체가 기본입자이며, 강력을 제외한 약력과 전자기력에 의한 상호작용을 한다. 쿼크가 1세대부터 3세대로 구분한 것 같이, 렙톤도 1세대, 2세대, 3세대로 구분한다.
중성미자는 1998년도에 들어설 때 까지 표준모형상에서 질량이 없는 입자로 치부하며 다뤄왔다. 하지만, 1998년도가 되었을 때 타카아키 카지타(2013년도 노벨물리학상 수상자)가 중성미자는 스스로 다른 중성미자로 변하는 중성미자 진동이 있음을 발표 했으며, 이를 설명하기 위해서는 질량으로 구분한 양자상태가 필요하다는 것도 발표한다. 하지만 중성미자는 전하를 띄지 않았다라는 것 때문에 표준모형의 모든 입자중에서 약력상호작용(중력은 제외)만을 하고, 너무 가볍고 그 상호작용하는 세기가 너무 작아서, 2018년도 기준으로 직접 중성미자의 질량을 측정하는 방법은 어렵다.

3.2.1. 1세대

전자(electron) (e): 스핀이 1/2이고 전하량이 -1인 기본입자로, 우리 주변에 널리고 널린 입자이다. 질량이 $$ 0.511 MeV/c^2 $$($$kg $$로 환원하면 9.109 3826(16) × $$ 10^{-31} kg $$)이다. 양성자와 더불어 붕괴를 거의 하지 않는 가장 안정적인 기본입자로 생각한다. 예외로 대응하는 반입자에게 고유이름이 있는 유일한 입자이기도 하다. 전자(electron)의 반입자는 반전자가 아니라 양전자(positron)라고 부른다.
전자 중성미자(electron-neutrino) ($$ \nu_e$$) : 전자와 대응하는 중성미자로, 스핀이 1/2이고 전하량이 0이다. 베타붕괴나 역베타붕괴에서 전자가 만들어지거나 사라질 때, 같이 만들어지거나 사라지는 입자이다. 표준모형에서 chirality라는 (번역할 때 손잡이라고 하지만 handed 와는 다른 물리용어이므로 주의) 양자상태가 왼손잡이만 존재하는 입자로 설명한다.

3.2.2. 2세대

뮤온(muon) (μ) : 스핀이 1/2 이고 전하량이 -1인 기본입자로, 전자와 다른점은 질량이 $$ 105.7 MeV $$으로 전자에 비해 대략 200배정도 무겁다. 뮤온은 상대적으로 가벼운 전자로 붕괴할 수 있으며, 이때 전자와 반전자중성미자, 그리고 뮤온중성미자로 붕괴한다.입자물리학 태동기에 우주선을 관측할 때 가장 많이 보인 입자이고, 가장 먼저 예견된 2세대 경입자이기도 하다.
뮤온 중성미자(muon-neutrino) ($$\nu_μ$$) 뮤온에 대응하는 중성미자로, 스핀이 1/2이고 전하량이 0이다. 베타붕괴나 역베타붕괴에서 전자대신 뮤온이 상호작용에 참여 할 때, 같이 만들어지거나 사라지는 입자이다. 전자 중성미자와 마찬가지로 표준모형에서 chirality가 왼손잡이만 존재하는 입자로 설명한다.

3.2.3. 3세대

타우(tau) ($$τ$$) : 스핀이 1/2이고 전하량이 -1인 기본입자로, 질량이 $$ 1777 MeV/c^2$$으로 본격 양성자보다 무거운 경입자이다. 상대적으로 가벼운 뮤온이나 전자로 붕괴할 수 있어서, 붕괴할 수 있는 가짓수도 많다. 그래서 경입자중에서 가장 생존시간(Life time)이 짧다.
타우 중성미자(tau-neutrino) ($$\nu_τ$$) 타우에 대응하는 중성미자로, 스핀이 1/2이고 전하량이 0이다. 베타붕괴나 역베타붕괴에서 전자대신 타우가 상호작용에 참여할 때, 같이 만들어지거나 사라지는 입자이다. 전자 중성미자와 마찬가지로 표준모형에서 chirality가 왼손잡이만 존재하는 입자로 설명한다.

3.3. 게이지 보존

게이지 보존은 표준모형에서 힘을 매개하는 입자이다. 어떤 게이지 보존이 참여하냐에 따라, 약력, 전자기력, 강력으로 나뉜다. 표준모형의 모든 게이지 보존은 스핀이 1이다.

3.3.1. 광자

광자는 전자기력을 매개하는 입자로, 스핀이 1이고, 전하가 0이며 질량이 없는(최대한도값을 줄여나가는 실험으로 질량과 전하가 없는지 확인하고 있다. 질량 최대 한도값은 $$1\times 10^{-18}$$ eV/$$ c^2 $$이고, 전하량 최대 한도값은 전자전하량의 $$1\times 10^{-35}$$ 배라고 측정했다.)인 입자이다. 막상 광자라고 쓰면 전기장이나 자기장과 다른 어떤 별개의 존재처럼 보일지 몰라도, 평평하고 일정한 전기장과 자기장을 광자의 다발로 표현할 수 있다는 점을 떠올리면 모든 전기장과 자기장을 광자로 환원할 수 있다는 것을 알 수 있다.

3.3.2. Z 보존

$$Z$$ 보존은 (전하로는)중성 약력을 매개하는 입자로, 스핀이 1이고, 전하가 0이며, 질량이 $$91.1876\pm 0.0021 GeV/c^2 $$이다. 스티븐 와인버그가 마지막 입자이길 소망하며 알파벳의 마지막 기호를 선택하여 Z라는 이름이 붙게 되었다. 광자와 큰 차이점은 손잡이성(chirality, 스핀 업-다운을 나타내는 handed와는 용어가 다르니 주의!)에 따른 상호작용의 강도가 다르다는 점과, 힉스 보존에 의해 질량을 갖게 된다는 점이다.

3.3.3. W 보존

$$W$$ 보존은 전하를 띤 약력을 매개하는 입자로, 스핀이 1이고, 전하가 $$\pm1 $$며, 질량이 $$80.385\pm 0.015 GeV/c^2$$이다. + 전하를 띌 경우 $$ W^+$$로 - 전하를 띌 경우 $$W^-$$로 구분하기도 한다. 표준모형의 입자중에서 유일하게 입자의 종류를 바꾸는 맛깔 변화(flavor change)를 일으키며(예를 들면, u쿼크를 d 쿼크로, 전자를 전자 중성미자로), 왼손잡이(left chiral) 입자들 사이에서만 $$W$$보존이 상호작용에 참여한다.
이 때문에, "신은 왼손잡이"라는 말이 나오게 되었다.

3.3.4. 글루온

글루온은 전하가 0이고, 스핀이 1이고, 질량이 0인 입자이다.
광자, Z, W보존과 다른점 중 하나는 글루온은 강력 상호작용을 매개 하는 입자이다. 점근적 자유도라는 다른 게이지 보존에 없는 독특한 특색이 있는데, 거리가 가까워지면 가까워 질 수록 글루온이 참여하는 상호작용의 크기가 작아지지만(= 높은 에너지), 거리가 멀어지면 멀어질 수록 글루온이 참여하는 상호작용의 크기는 커진다(=낮은 에너지). 이를 통해서 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자가 어느정도 일정한 거리에서 덩어리져 있는 현상을 입자물리학적으로 설명할 수 있게 되었다.
그리고 또 다른 하나는 세 게이지 보존과 달리 색전하(color charge)를 띈다는 것이다. 색전하는 정말로 색을 띄는 전하라는 의미가 아니라, 빛의 삼원색의 관계를 세종류의 새로운 전하에 대응하며 설명하면서 붙여진 이름이다. 그러므로 착각하지 말자.

3.3.5. 중력자

전자기장을 입자로 나타냈을 때 광자라고 하듯이, 중력장을 입자로 나타냈을때를 중력자(graviton)라고 부른다. 질량은 0이고, 전하를 띄지 않고, 스핀이 2일것이라 추정하고 있다.
표준모형에서는 배제되어 있으며, 실험적으로는 다른 세종류의 힘에 비해 작다는 점 때문에 측정이 이루어지지 않고 있고, 이론적인 한계로 표준모형에서 중력자를 표현하지 못하고 있다. 중력자를 설명하기 위해서 여러 이론들이 제시되고 있다.

3.4. 스칼라 보존

3.4.1. 힉스 보존

힉스 보존($$ H $$)은 게이지 보존이나 쿼크와 달리 스핀이 0이고, 전하가 0이며, 질량이 $$125.09 \pm 0.24 GeV/c^2$$인 입자이다. 스핀이 0이기에 스칼라 보존이라고도 부른다. 오래전부터 존재할 것이라 예측을 했으며, 2013년도 CERN의 LHC에서 발견되면서 표준모형은 완성되었다. 힉스입자는 입자가 질량을 갖는 이유를 설명하는 입자이다. 힉스입자가 없다면, 표준모형의 모든 입자는 질량이 0이며, 빛의 속도로 공간을 돌아다니기에 우리라는 존재가 없었을 것이다.

분류

물리학의 하위 학문