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Still의 <블록으로 설명하는 입자물리학>  
    김관석  2022-03-15 09:38:27, 조회수 : 249
- Download #1 : PP_Still.jpg (226.7 KB), Download : 1



물리학연구소(IOP)에서 커뮤니케이터 상을 수상한 Ben Still의 Particle Physics brick by brick (Cassell 2017)의 번역판입니다.
입자물리학을 저와 일반인에게 더 이상 훌륭하게 할 수 없을 것처럼 '소개'하는 책이며, 여기의 관심사인 우주론과도 잘 연계되고 있습니다!
(일부 번역 상의 몇가지 오류와 위키백과 용어를 살피면서 입자물리학의 골자를 요약해 보고자 합니다.. 편의상 존칭은 생략함.) 

이미 검증된 많은 입자의 복잡한 상호작용의 규칙들을 살피기 앞서, 표준 모형은 플랑크 단위 외에서 작동하는 교과서적(?) 이론임을 기억해야 한다.
비유컨대, 뉴톤의 법칙과 같이 낮은 에너지에서 이러한 표준 모형은 훌륭하게 작동하나 그 밖에서는 역학의 일반 상대성이론과 같은 새로운 모형을 기다린다.
즉, 우주론과 연관지어서 말하면, 관측된 입자들을 훌륭히 설명하고 있지만, 플랑크 시대 이전과 암흑물질/암흑 에너지를 설명하는 모형은 아직 없다.

[입자 분류/특성] a) 쿼크/렙톤(경입자); b) 페르미온(세대, 물질/반물질)/보손; c) 강력(색전하)/전자기력/약력/중력;  d) 스핀; e) 강입자: 중입자, 중간자
a) 쿼크: 강력으로 결합되는 색전하를 띤 기본 페르미온 6종; 렙톤: 강력에 영향을 받자 않는 가본 페르미온 6종-전자, 뮤온, 타우온과 각각에 해당하는 중성미자들
b1) 쿼크: 강력-Up_q(업/위 쿼크), Down_q(다운/아래 쿼크), Charm_q(맵시 쿼크), Strange_q(기묘 쿼크), Top_q(꼭대기 쿼크), Bottom_q(바닥 쿼크)
      전자기력의 랩톤 페르미온: 전자, 뮤온(뮤 입자), 타우(타우 입자);  약력의 랩톤 페르미온: 중성미자들 - 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자
b2) 1세대: 쿼크-Up_q, Do_q; 렙톤-전자, 전자 중성미자; 2세대: 쿼크-Ch_q, St_q; 랩톤-뮤온, 뮤온 중성미자; 3세대: 쿼크-To_q, Bo_q; 렙톤-타우, 타우 중성미자
b3) 반물질: 반(anti-)자를 앞에 붙임. 예) 반St_q, 타우 반중성미자 등.. 단, 반전자는 양전자(positron)로 주로 불림; 또한 반중입자-반양성자, 반중성자도 있음.
b4) 보손: 쿼크과 렙톤의 힘 매개 입자; 강력 보손: 글루온-질량 0; 전자기력 보손: 광자-질량 0; 약력 보손: W+보손, W-보손, Z0보손; 중력 보손: 중력자, 힉스 보손
c1) [강력] 쿼크들 사이에서 글루온 보손이 매개해 양성자, 중성자 및 복합 입자룰 만들고, 양성자와 중성자를 중간자 파이온들이 매개하여 원자핵 안에 묶어둔다.
      색전하: 강력의 전하는 빛의 삼원색으로 비유된다. 빨강 녹색, 파랑, 안티레드-시안, 안티그린-마젠타, 안티블루-노랑. 쿼크는 3종 색전하의 혼합으로 중성이다.
c2) [약력] 대전된 렙톤 페르미온-전하 -1: 전자, 뮤온, 타우 b3) 중성 렙톤 페르미온-중성미자들: 전기 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자
      업 유형 쿼크(Up_q, Ch_q, To_q)-전하 +2/3 <- W+/-보손 -> 다운 유형 쿼크(Do_q, St_q, Bo_q)-전하 -1/3; 중성미자들 <- W+/-보손 -> 대전된 렙톤 페르미온 
d) 스핀: 전하를 띠는 입자는 빛보다 빠르게 회전하는 추상적인 속성. 페르미온의 스핀:1/2, 보손의 스핀은 정수: 1(광자, 글루온, Z, W), 0(힉스), 중력자는 2(추정)
e) 강입자(hadron): 쿼크나 반쿼크로 구성된 모든 입자; 중입자(baryon): 양성자-두개의 Up_q /한개의 Do_q(전하 +1), 중성자: 한개의 Up_q/두개의 Do_q(전하 0);
    아이소스핀 = 1/2{(Up_q - 반위Up_q) - (Do_q - 반Do_q)}, 양성자 아이소스핀: 1/2, 중성자 아이소스핀: -1/2;  중간자: 쿼크 한 개와 반쿼크 한 개가 결합 ->
    파이온(π+Up_q/반Do_q, π-반Up_q/Do_q, π0Do_q-반Do_q/Up_q-반Up_q)과 케이온(K-St_q/반Up_q, K+반St_q/Up_q, _K0St_q/반Do_q, K0반St_q/Do_q)
[빅뱅(대폭발)] 약 138억 년 전 우리가 현재 경험하는 공간, 시간, 에너지가 무한하게 작은 점으로부터 생겨났다. 입자물리학은 빅뱅 후 10-43초 이후를 설명한다.
[극초기] 물리학자들은 유럽 입자물리 연구소의 대형 강입자 충돌에서 양성자를 통해 빅뱅 후 10-11초 이내 우주는 거의 광속으로 서로 충돌하면서 타격을 교환하는
              입자의 부글부글 끓는 수프였고, 이 입자들은 생성과 파괴의 순환에서 에너지를 형성하기 위해 한 번 더 서로를 파괴했을 가능성이 크다고 추정한다.
[최초의 1초] 10-10초가 자나자 물질 수가 반물질 수를 압도했다. (물리학자들은 이 원인을 찾고 았음) 1015K 온도에서 물질들은 서로 충돌하고 있었다. (이하 추정)
                     10-4초 후 온도가 내려가고 쿼크들이 강력으로 새개씩 결합되었다. 업 쿼크와 다운 쿼크가 두가지 방식으로 결합해 합성 입자-양성자와 중성자가 생겼다.
[최초의 1분] 수십 초 만에 우주는 10억 K가 되었다. 물질의 높은 온도와 밀도가 커 양성자들은 서로 충돌하고 일부는 강력으로 결합했다. 중성자는 혼자서는 아주
                     오랫동안 생존할 수 없으며 쉽게 양성자로 변한다. 약력은 중성자와 양성자 사이의 이러한 교환에 필요하며 우주 진화의 이 단계에 핵심 요소였다.
                     1) 두개 양성자 충돌->중수소 핵 + 반전자, 전자 중성미자 2) 양성자 + 중수소 핵 -> 헬륨-3 핵 3) 헬륨-3 핵 충돌-> 헬륨-4: 수소 다음으로 안정적인 핵
[최초의 원자들] 원자핵과 자유전자 및 광자의 플라스마였던 우주가 약 38만년 후에 3000K로 내려가자 최초의 원자인 수소와 헬륨(2 전자 + 헬륨-4 핵)이 생성되었다.
[최초의 항성들] 약 1억 년이 지나자 중력에 의해 최초의 항성들이 탄생했다. 1) 주로 수소 가체로 구성된 거대한 구름이 중력으로 붕괴해 온도가 3000K 이상으로
                       전자는 다시 핵에서 자유로워져 플라스마가 형성되었다. 2) 구름 중 원시성(protostar)으로 불리는 곳에서 양성자 융합의 조건이 갖추어져 양성자들이
                       결합해 헬륨이 형성되면서 최초의 항성이 탄생함. 3) 융합 반응 에너지는 중력과 밖으로 미는 '복사압'이 균형을 아루며 항성이 안정적으로 유자되었다.
[새로운 항성들] 새로운 항성들은 이전 세대의 수소와 항성의 중심에서 생성되는 일부 헬륨으로만 구성되지 않는다. 항성이 소멸하면 새 항성의 씨앗이 되기도 한다.
                         새 항성들에는 양성자의 탄소-12 핵 충돌에 의한 CNO 순환반응애 의해, 탄소(C), 질소(N), 산소(O)처럼 무거운 핵을 가진 원소들도 존재한다.
[삼중 알파 과정] 양성자간 연쇄 그리고 CNO 순환반응은 양성자 수의 감소시켜 항성의 핵에서 융합이 그치게 되면 중력에 의해 항성의 가스가 내부로 붕괴하게 된다.
                          결과 항성 내부의 온도/밀도가 증가하면 내부에서 양성자간 충돌이 일어나 헬륨이 생기고 온도가 1억 K에 이르면 헬륨-4 핵 융합(알파 과정)이 생긴다.
                          두 헬륨-4 핵이 결합해 배릴륨-8을 형성한 후 헬륨-4로 쪼개자는 과정이 걔속된다. 압력이 증가하면 헬륨-4와 베릴륨-8이 안정적인 탄소-12 핵이 된다.
[알파 사다리] 태양 질량의 8배 미만의 항성에서는 탄소-12가 융합의 끝이다. 태양보다 8배 이상 무거운 항성에서는 온도와 밀도가 상승하면서 '알파 과정'이 계속된다.
                      1)  헬륨-4와 탄소-12 -> 산소-16/ 2) 헬륨-4와 산소-16 -> 네온-20 3) 네온-20과 헬륨-4 -> 마그네슘-24 4) 마그네슘-24와 헬륨-4 ~> 규소-28.
[탄소 연소] 태양 8배 이상의 항성의 핵에서 헬륨 융합을 멈춘 후,  다시 항성의 붕괴가 되어 중심핵이 5억 K를 넘어서면: 두개의 탄소-12 -> 네온-20 + 헬륨-4(용이함).
[산소 연소] 초대질량 항성의 내부는 핵을 쪼갤 수 있는 광자를 만든다. 네온-20(핵)이 광자로 쪼개져 샨소-16과 헬륨-4를 생성한다. 탄소 연속 속도는 느려지고,
                   다시 수축하기 시작하면 핵온도가 20억 K 정도로 상승하고 산소-16 핵들은 융합하기 시작하니: 두 산소-16 -> 규소-30 + 두 양성자 or 인-31 + 양성자.
[규소 연소 알파 과정] 산소 연소가 끝나면 규소-28(핵)이 많아 진다. 게속 수축되어 뜨거워지면 에너지가 상승한 광자들이 규소-28을 '융해'하면서 핼륨-4가 방출된다.
                     태양 11배 이상의 항성에서는 알파 과정, 헬륨 핵을 계속 추가하여 무거운 핵을 융합을 계속하니: 규소-28 -> 황-32 --> 아르곤-36 --> 칼슘-40 ->
                     티타늄-44 -> 크롬-48 -> 철-52 -> 니켈-56 (양성자와 중성자를 합한 수가 56일 때 강력이 전자기력을 압도해 가장 안정된 상태를 만듬).
[무거운 원소들] 태양질량 10배 이상의 항성 중심부에는 중성자가 풍부하며 그중성자 포획을 통해 더 무거운 원소들을 천천히 형성함(Slow 과정): 철-56 -> 철-57 ->
                      철-58 -> 코발트-58 + (a)전자/전자 중성미자 -> 나켈-58 + (a) -> 니켈-59 -> 나켈-60; 납-206 -> 납-207 -> 납-208 -> 비스무트-209 + ... -> 납-296 + ...
                      (Rapid 과정): 수 분 간의 초신성 폭발을 통해 두개 이상의 중성자를 빠르개 포획한다. 핵은 최대 270개의 양성자와 중성자를 갖는다. 폭발 후 약력에 의해
                      빠르게 더 많았던 중성자들이 영성자로 바뀐다.; 지구에서는 자연적으로 생성된 가장 무거운 원소인 대부분(99.3%)의 우라늄은 우라늄-238이다.
[입자 보수계] 입자들은 내부에 보수계(pedometer)를 갖고 있다. 다른 두 종류의 입자가 만나면 각자의 보수계를 비교하고 위상차가 적으면, 만날 때까지 이동하면서
                      변화한 보수계의 도수degree가 비슷하면 상호 작용할 확률이 크고, 차이가 크면 상호 작용 확률이 낮다. 입자들은 전자기장을 통해서 정보를 교환하고
                      상호작용이 일어나면 광자를 교환한다! (이는 유명한 두개의 슬릿이 있는 스크린을 통과한 광자들의 쌓인 결과를 독특하게(?) 설명하고 있다.)
[파인만 도형]  가로축은 좌에서 우로 시간축이고, 세로축은 공간에서 입자의 위치를 나타낸다. 꼭지점은 교환 지점이며, 전자기력의 결합coupling 상수는 1/137이다.
                       대칭을 이용해 반물질과 쌍소멸과 쌍생성을 표현한다. 이중 쌍생성은 높은 에너지를 가진 광자가 실제로 원자 부근에서 전자 양전자 쌍생성을 일으킨다.
[영자전기역학 QED] 전기역학의 상대론적 양자장 이론. (입자 보수계/파인만 도형 내용); 입자가 원자 주변애서 경로를 바꾸거나 매질을 통하면 '제동복사'를 방출한다.
[양자색역학 QCD] 물리학자들의 강력에 대해 찾은 빛의 삼원색의 비유: 빨강, 녹색, 파랑은 색전하가 같으면 밀고 다르면 당기고 셋이 결합하면 중성-흰색이 된다.
                       반색전하는 시안, 마젠타, 노랑으로 나타내어 반물질을 표시한다. 반대색과 결합하면 흰색 입자가 된다. 글루온은 색전하와 반색전하 모두 갖고서
                       쿼크의 색전하를 바꾼다. 색전하를 띠는 쿼크들이 멀어질수록 글루온 퍼텐셜이 커져 쿼크/반커크 쌍-파이온 중간자를 형성해 강력을 교환한다.
[베타 붕괴] 베타 방사능은 핵에 있는 중성자를 양성자로 붕괴사켜 원소를 변화시킨다. 중성자 -> 양성자 + W-/전자 반중성미자, 전자 (볼프강 파울리 발견)
[약력과 대칭 깨짐] 약력은 W보손으로 위 유형의 쿼크를 아래 유형의 쿼크로 바꾸거나 전하를 띠는 경입자를 중성미자로 바꾼다, 이는 방사선 베타 붕괴를 일으킨다.
                              무거운 광자라고 할 수 있는 Z보손은 톱쿼크-반톱쿼크 외 모든 쿼크 쌍을 만들 수 있고, 렙톤의 쌍들도 만든다. (p. 134-135 오역! 3세대->3세대들)
                              '쿼크(들 간) 섞임'으로 인해 W 보손을 교환해 약력 전하 입자 쌍에만 제한하지 않고 약력 전하가 반대인 더 가벼운 쿼크로 붕괴할 수 있다.
[BEH 장과 힉스 보손] 질량을 지닌 모든 입자는 우주 전체에 있는 BEH(Brout Englert Higgs) 장과 상호작용하여 질량을 얻는다. 이 상호작용은 힉스보손이 매개한다.   
[손대칭성] 약력 페르미온에 왼손잡이/오른손잡이 손대칭성이 있어서 동종간에 상호작용하고, 반입자와는 그 반대가 된다. 힉스 보손은 그 손대칭성을 바꾼다!
[정체성 위기]  태양의 중성미자 2/3, 우주선 뮤온 중성미자 1/2소멸 현상; 3종(전자 뮤온 타우)의 '중성미자(들 간) 섞임': 'SNO 검출기'가 Z보손 관측 추가 후에 확인함.
[대칭의 틈] 현재 관측 가능한 우주는 표준 모형의 12입자로 구성되어 있는데, '쿼크 섞임'과 '중성미자 섞임'(3종 중성미자들간)이 '전하 패리티 위반'을 초래하여
                  1천만분의 1만큼 물질이 선호되는 자연의 경향성으로 나타난다. 물질이 반물질보다 많은 설명으로 중입자와 경입자 수의 대칭 깨짐 이론이 제시되고 있다.
[계층 문제] 측정된 힉스 보손이 표준 모형에 반하여 너무 가벼우며, 이 문제는 '계층 문제'로 알려져 있다. 이는 앞으로 새로운 이론에의 여지를 재공한다.
[암흑물질] 표준 모형에는 우주 에너지의 약 25%를 차지하는 암흑물질의 후보가 없다. 가상의 약하게 상호작용하는 무거운 입자(WIMPs)를 검출에 노력하고 있다.
[초대칭] 페르미온의 초대칭은 보손처럼 거동하고 보손의 초대칭은 페르미온처럼 거동한다. 초대칭 짝의 영어명에 초(super)를 의미하는 s를 앞에 붙이면 된다.
              스쿼크, 슬렙톤, 스톱 등등. 글루온의 짝은 글루이노라 부른다. 힉스의 짝은 4종의 힉시노 W보손의 짝은 4종의 차자노, Z보손의 짝은 4종의 뉴트랄리노가 된다.
              초대칭 이론에 의하면 힉스의 계층 문제/암흑물질 등을 해결하기 쉬워진다. 그러나, 아직까지 발견되지 않고 있다. (현재는 회의론이 더 대세인 듯 ...)*
[끈이론] 블록 대신에 입자가 다양한 진동수를 지닌 끈이라는 이론으로, 다차원 공간에서 존재하여 중력만이 모든 차원을 매개된다. (하나 검증은 요원하다!)

       낮은 에너지에서 잘 작동하는 현재의 표준 모형은 고에너지에서는 틈을 보인다. 이제 '왜'라는 질문을 하고 새로운 물리학을 찾아야 할 때이다!

* 2000년 학회부터 향후 초대칭 입자들의 발견에 대하여 몇몇 학자들(프랭크 윌첵 포함)간에 내기를 했다는데, 2016년 CERN LHC 발표로 반대파가 이겼다고 ...
   40여년간 초대칭 이론에 매달려온 이론물리학, 입자물리학 커뮤니티에 대해서 통렬하게 비판을 하는 한 대중적 과학서(Amazon Editor's pick)가 있다.
   자비네 호젠펠더 Sabine Hossenfelder <수학의 함정> Lost in Math  2018 (배지은 옮김 해나무 2020) <- 이론(입자)물리학계의 폐단 폭로 내용 ...

p.s. 입자물리학의 표준 모형을 원색 레고 블록들과 파이만 도형으로 도해한 이 책은 우주론을 이해하는 데 큰 도움이 되는 듯 ...
       우주론에서 등장하는 입자물리학 표준 모형과 많은 입자들의 소개와 결합 규칙 및 여러 원소의 생성 과정을 알기쉽게 설명하고 있음.
       입자물리학 관련 전문서적들이 너무 방대하고 복잡해서 읽을 염두가 나지 않아서 개념적 소개서를 찾는 분들에게 추천..



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