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고에너지 물리 소개 (High Energy)

고에너지 물리 소개 (High Energy). 기본 입자 와 기본 힘 (Fundamental Particles & Forces ) Quark, Lepton, & Big Bang. 우종관 ( 국립제주대학교 ) @ 2008 SUPERCOMPUTING & KREONET / GLORIAD WORKSHOP held by KISTI. 1. 우주의 기원과 형성. 가장 궁극적이면서 고전적인 질문 2 개 . i) 우주는 무엇으로 만들어졌는가 ? (Fundamental Particles )

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고에너지 물리 소개 (High Energy)

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Presentation Transcript

  1. 고에너지 물리 소개(High Energy) 기본 입자와 기본힘(Fundamental Particles & Forces)Quark, Lepton, & Big Bang 우종관 (국립제주대학교) @ 2008 SUPERCOMPUTING & KREONET / GLORIAD WORKSHOP held by KISTI

  2. 1. 우주의 기원과 형성 • 가장 궁극적이면서 고전적인 질문 2개. • i) 우주는 무엇으로 만들어졌는가? (Fundamental Particles) • ii) 우주의 형성과정은? • The Structure of Matter • 실험적으로 이론들을 검증하는데 한계가 있음을 깨달음. size: 10-8m 10-10m 10-14m 0.1m 10-15m

  3. 고에너지 물리의 범위 고에너지 물리 • 원자물리  핵물리  입자물리 • 천문학  천체물리 천체입자물리

  4. 2. 계속되는 입자들의 발견 • 1930 년대 e, p, n및 • (뉴트리노, 중성미자) 문제없이 핵구조를 잘 설명할 것으로 기대. •  1930 년대 말부터 새로운 입자들이 발견되기 시작하여 오늘에 이름. • 세계적인 입자물리 연구소들 • FNAL (Fermi Nat’l Accelerate Lab., Chicago) • RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, Long Island) • CERN (European Nuclear Research Center, Geneva) • SLAC (Stanford Univ., San Francesco) • DESY (Deutsches elektronen-synchrotron, Hamburg)

  5. 2-1, 입자의 구분 방법 3 가지. • 1) <Fermion & Boson> • Fermion: (Fermi-Dirac 통계를 따르는 입자들) s=(m+½) m=0, 자연수 Pauli 의 배타원리를 따름 e, p, n… • Boson: (Bose-Einstein 통계를 따르는 입자들) s=(m) m=0, 자연수 Superposition, g, H… • 2) <Hadron(강입자) & Lepton(경입자)> • Hadron: (강한 상호작용을 하는 입자들) • - boson: Meson(중(中)간자) (q-q)… • - Fermion: Baryon(중(重)입자) p, n (qqq) • Lepton: (약한 상호작용을 하는 입자들) - e, ,  • 3) <Matter(입자) & Anti-Matter(반입자)> • m, s: 같은 양과 부호를 갖지만 Charge, 양자수: 반대 부호를 갖음. PP 반입자는 문자 위에 바(-) 를 붙임. 입자와 반입자가 만나면 서로 소멸됨. 우주가 물질로만 구성된 이유는 아직도 연구하고 있음.

  6. 2-2, 가속기란 • 가속기란 기본입자를 높은 속도로 가속시키는 장치로 고에너지 물리학 (입자물리, 핵물리) 분야의 연구에 주로 이용되어왔으며 현재는 생명과학, 의학, 핵공학, 물성물리학 등 다양한 분야에서 응용되어지고 있다. • 가속기가 필요한 이유 • 인류의 궁극적인 질문인 우주를 구성하는 기본입자와 기본힘을 알아내기 위해서 작은 입자들을 서로 충돌시켜서 내부 구조를 살펴보아야만 한다. 크기 (m) 10-9 10-10 10-14 10-15 결합 E ~eV ~keV ~MeV ~TeV 발견연대 1779 1808 1910 1910 1960 발견/제안자 프루스트 돌턴 러더포드 러더포드 겔만 탐색수단 전자현미경 터넬링현미경 가속기

  7. 가속원리 하전입자가 자기장 전기장에서 받는 힘인 로렌쯔 힘(Lorentz Force)이 입자를 가속시킨다. F=q(E + vⅹB) 하전입자가 전기장에서 받는 힘. F=qE 가속된 하전입자가 갖는 운동에너지 KE = qV = (p2+m2)1/2-m 하전입자가 자기장에서 받는 힘. F=qvⅹB 원운동을 함. 가속기 내에서 전자석은 빔의 진행방향을 바꾸어서 표적으로 이동시키거나 집속(focusing) 하는 역할을 한다.

  8. 자기장이 B인 곳에 전하가 q, 질량이 m인 입자가 속력 v로 진입하면, 그 입자의 회전반경 R=? 회전에 의한 원심력과 자기력에 의한 구심력은 그림과 같이 주어지고 두 힘이평형을 이룰 경우에 하전입자는 등속 원운동을 하게 된다. 즉 qvB=mv2/r 이때 회전반경은 r=mv/qB

  9. 가속기의 종류 선형가속기: 1932 Cockcroft and Walton 800 kV 단점: 고에너지의 경우 길이가 매우 길어야 한다. 사이클로트론: 1929 Lawrence at Berkley 입자의 궤적이 원형, 에너지가 커지면 입자의 회전반경이 늘어남. 두 개의 D 모양의 원통 사용, 상부는 자석. 싱크로트론: 회전반경은 유지하고 자기장과 진동수를 바꾸어 준다. synchrotron @ LBL, r=18m 1952 SPS @ CERN LHC @ CERN Tevatron @ FNAL DESY @ Hambug RHIC @ BNL PS @ KEK (일본) 12 GeV 1971, p-e colliding 1987 IHEP (중국) p-e colliding 1988

  10. RHIC Relativistic Heavy Ion Collider

  11. Where do we go from here? LHC at CERN: (√sNN = 5.5TeV) CMS ALICE ATLAS

  12. CMS, as a Heavy Ion Experiment dN/d ~ 5000

  13. 3. 입자들의 특성과 반응 질량의 표시방법 E=mc2m=E/c2 =eV/c2 938 MeV  양성자의 정지질량에너지 938 MeV/c2 양성자의 정지질량 양성자-반양성자의 소멸 (-P)+P  4 + + 4 -; 전하량 보존 2*(938 MeV/c2)8*(139 MeV/c2) E 보존 +와 는 강상호작용(strong interaction)을 받지 않는 물질이므로 이 과정은 약력(weak interaction) 이 관여하는 과정임. • 의 붕괴 의 평균수명 2.6*10-8 s + + +  Spin 0 ½h -+½h 보존 Charge 1 1 0 보존 • 33MeV/c2가 반뮤온 +와 중성미자 가 나누어가질 수 있는 운동에너지의 값이다.

  14.  +의 붕괴 의 평균수명 2.2*10-6 s + e+ +  + (- ) Spin ½h ½h ½h -+½h conserved Charge 1 1 0 0 conserved Mass 105.2 0.511 (MeV)  104.7MeV/c2가 붕괴과정에서 생성된 세 입자 e+, , (- ) 의 운동에너지로 공유된다. , (- ) 가 동시에 생성되는 이유는 스핀양자수 보존 때문이다.

  15. 4. Lepton (경입자) Lepton(경(輕)입자)는 약상호작용 (weak interaction)하는 입자들로 e, e,  , , , 가 있다. e + target  e + ….  + target   + ….  + target   + …. -3 개의 family 만 존재 -부피(질량?) 없고, spin 만 존재 Leptonic # conservation (경입자수 보존); 모든 입자의 상호작용에서 알짜 lepton 수는 각각의 세대 안에서 독립적으로 보존됨. 경입자수는 L=+1 (경입자) L=-1 (반경입자) L=0 (경입자가 아닌 경우) + e+ + e + (-) L e 0 -1 +1 0 L  -1 0 0 -1 L  0 0 0 0 *모든 입자의 상호과정에서도 잘 맞는다.

  16. 5. Hadron (강입자)  Baryon(중입자), Meson(중간자) • Hadron: (강한 상호작용을 하는 입자들) • - boson: Meson(중(中)간자) (q-q)… • - Fermion: Baryon(중(重)입자) p, n (qqq) Baryon # conservation (중입자수 보존); (lepton 수 전하 모두 보존 되지만 현실적으로는 발생하지 않는다. ) • 새로운 양자수의 도입이 필요하다. 중입자수는 B=+1 (중입자) B=-1 (반중입자) B=0 (중입자가 아닌 경우) P+ e+ + e B +1 0 0  B#가 보존되지 않으므로 일어나지 않음. 참고)표준모형에서는 예측 못했으나 최근에 양성자 붕괴의 증거가 발견되었고, 이를 설명하려는 시도들이 있음.

  17. 6. 또 다른 보존법칙 • 보존되는 물리량들: E, p, m, q, s, L#, B# + Strangeness (기묘도) by Gell-Mann, Nishijima • 새로운 양자수의 도입이 필요하다. 중입자수는 B=+1 (중입자) B=-1 (반중입자) B=0 (중입자가 아닌 경우) + + P  K+ + + S# 0 0 +1 -1  발생  S#가 보존. + + P  + + + S# 0 0 0 -1  발생X  S#가 보존X. 기묘도는 강한상호작용에서만보존된다.

  18. 7. 팔정도 (Octet, eight fold) by Gell-Mann, Neeman 1961 팔정도 [八正道] : 중생이 고통의 원인인 탐(貪) ·진(瞋) ·치(痴)를 없애고 해탈(解脫)하여 깨달음의 경지인 열반의 세계로 나아가기 위해서 실천수행해야 하는 8가지 길 또는 그 방법이다. 이것은 원시불교의 경전인 《아함경(阿含經)》의 법으로, 석가의 근본 교설에 해당하는 불교에서는 중요한 교리이다. 고통을 소멸하는 참된 진리인 8가지 덕목은 ① 정견(正見), ② 정사(正思:正思惟), ③ 정어(正語), ④ 정업(正業), ⑤ 정명(正命), ⑥ 정근(正勤:正精進),⑦ 정념(正念,), ⑧ 정정(正定) 이다. -Naver 백과사전 S=1/2 인 8개의 중입자들 S=0 인 9개의 중간자들

  19. 8. Quark model by Gell-Mann & Zweig 1964 Quark라 부르는 것으로 Baryon(중입자)와 Meson(중간자)이 구성된다면 팔정도가 쉽게 이해됨을 알아냈다. S=1/2 인 8개의 중입자들 S=0 인 9개의 중간자들 “Quark들의 적절한 조합으로 이해할 수 없는 특성을 지닌 중입자와 중간자들은 어떤 것도 알려진 것이 없다. 거꾸로 중간자와 중입자에 대응되지 않는 쿼크들의 가능한 조합 또한 없다”

  20. <쿼크와 중입자> • 중입자(Baryon) = qqq ; 3 개의 쿼크 B#=(⅓,⅓,⅓)=1 • 중간자(Meson) = q(-q); 쿼크-반쿼크 pair + q(u(-d))= 2/3 + 1/3 = +1 전하량 B#(u(-d))=1/3 - 1/3 = 0 B#=0+ + • -붕괴의 새로운 이해 • 32P  32S + e- +  • n  p + e- + (-e) • d  u + e- + (-e) du du

  21. photons: electromagnetic quarks gluons: strong force “force mediators” (bosons)  Z and W bosons: weak force leptons <표준모형(Standard Model)의 기본입자들>

  22. 9. 기본힘과 기본입자 (force에 대한 고찰) • <전자기 상호작용>; electro-magnetic interaction • Pseudo photon을 받고 나서 재빨리 돌려준다. • Pseudo photon은 서로 힘을 미치는 두 입자 사이의 상호작용을 매개하므로 매개입자 라고도 부른다. • 파동의 측면에서는 pseudo photon을 전자기파로 해석하기도 한다.

  23. <약 상호작용>; weak interaction • W(80 GeV, 전하=e), Z0(91.2 GeV, 전하=0)라 부르는 질량을 가진 보존(boson) 입자에 의해서 매개된다.W를charged current (전하류) z를neutral current (중성류)라고도 부른다. • 전자기힘 (electromagnetic force)과 약힘 (weak force) 는electroweak force로 통합됨; 즉 전자기힘과 약힘은약전자기힘의각기 다른두 가지 특성임이밝혀졌다. • W Z의 확인: 1983년 Carlo Rubbia avec Big Accelerator (2r=7km) at CERN. Weak Interaction의 예: KL 0(- )붕괴에 대한 표준모형 diagrams: KEK J-Parc E-14

  24. <강 상호작용>; strong interaction • 강력(strong force): 쿼크들 사이에 작용해서 강입자들을 묶는 힘. • 강력의 매개 입자는gluon(글루온)으로g (m=0)로 쓴다. • Quark 는 3개의color flavor(맛)로 되어있음. Red R (-R) Yellow Y (-Y) Blue B (-B) • 입자의 색이 무색일때만 실제 관측이 가능하다. 예)Baryon 인 양성자p(uud), p(uud) 또는 p(uud) 는 무색. Meson 인 (ud), (ud), (ud), (ud), (ud), (ud) 등은 관측 불가. 실제로 진공중에서  중간자는 수명이 2.6*10-8 s 정도로 핵 내에서 만 안정적으로 존재함. • 양자색소역학 (Quantum Chromatic Dynamics; QCD) 색력 (color force): 쿼크 사이에 작용하는 힘이다. -양자전자기학 (Quantum Electro Dynamics; QED) 와 비교

  25. Need a tool : QCD, Machine • QCD is the theory of the strong interaction - describes the properties of hadronic matter • - quarks(up, down, strange, charm, bottom, top) and gluons (red, green, blue) • - forces between quarks : exchange of gluons • - gluons can interact with gluons • Confinement : free quarks not observed in nature • De-confinement : Quark-Gluon Plasma • - At large energy(or baryon density) a phase transition is expected • from a state of nucleons containing confined quarks and gluons to • a state of “deconfined” (from their individual nucleons) quarks and • gluons covering a volume that is many units of the confinement • length scale ; the first few MICROSECONDS ! baryon meson High Energy Nucleus-Collisions provide the means of creating Nuclear Matter in conditions of Extreme Temperature and Density

  26. <통일장이론-Einstein 의 꿈.> • 대통일장이론의 완성 (이루지 못하고 타계) • GUT: Grand Unification Theory (E+W+S) • CUT: Complete Unification Theory (GUT+Gravity)

  27. 10. 팽창하는 우주 & Big Bang • 우주의 Red shift(적색편이) 우주가 팽창함을 의미. • 1929년 Hubble 이 적색편이 관측을 근거로 우주팽창을 주장. V=HrH: 허블상수=72 km/(s*Mpc) = 0.022 m/(s *광년) r: 은하부터 지구까지의 거리 Mpc=3.26*106광년 <우주나이> T= r/V = r/(Hr) =1/H T 12*109 year ~15*109 year • 팽창을 바탕으로 시간을 거꾸로 진행하면 초기에 우주는 점이었고, 이때 큰 폭발 (big Bang)과 함께 팽창하기 시작했다고 추론할 수 있음.

  28. Very early in the universe, quarks and gluons were free in a plasma state. As the universe cooled, they were confined and have remained that way since. Experimental heavy ion physicist Energy History of Universe time

  29. <우주배경 복사> • 1965년 A.Panzias와 R.W.Wilson발견; 우주의 모든 방향에서 같은 강도로 들어오는 0.1㎜~20㎝ (±0.01%) 의 마이크로파로 2.7K (－270.3℃) 의 흑체복사에 해당. 우주에 충만된 전파의 배경으로 추종됨. • M.Plank의 법칙에 의하면 약 400/1㎤ 개의 빛알(photon) at Universe. • 이는 물질입자(양성자)의 밀도의 약 109배  우주의 현재 온도가 주로 이 복사에 의하여 결정되었음을 암시. • 우주의 팽창이 대폭발(Big bang)에서 시작되었다는 우주론과도 일치.

  30. 11. 암흑물질 (Dark Matter) • Galaxies 에 있는 물질을 직접 관측함으로써 dark Matter의 존재를 알 수 있다. • Vobj2 = GM/R • M >> Mvisible • 우주의 약 90~99% 질량이 관측 되지 않고 있음 이를 암흑물질 (Dark Matter) 라 부른다. • 대부분이galactic halo에 있을 것으로 추정.

  31. * Baryonic Dark Matter MACHO: (10-7 M⊙<MBD<10 M⊙) -brown dwarfs:( MBD<0.08 M⊙) -Jupiters : (~0.001 M⊙) Neutral Hydrogen and molecular clouds * Non-Baryonic Dark Matter Hot type: (V ≥ c/100) -light neutrino Cold Type:(V ≤ c/100) -WIMP:(10GeV ~ few TeV) -axion(10-5eV) Dark Matter Candidates9*10-72M⊙(10-5eV, Axion) < MDM < 104M⊙ (Black hole)

  32. Neutralino (candidate for WIMP) • MSSM predicts the neutralino that is consisted of supersymmetric partners of photons, Z bosons and Higgs. • Neutralios (WIMP)are localized in the galactic scale. .

  33. Direct detection Method • Recoil Energy ER = ~200KeV for 100 GeV WIMP • Expected events rates = ~100 to 10-3#/day/kg

  34. photons: electromagnetic quarks gluons: strong force “force mediators” (bosons)  Z and W bosons: weak force leptons Summary • 기본입자와 기본힘 • Gravity - graviton + • 적색편이  우주팽창  Big Bang • 우주배경복사 • 암흑물질

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