Particle physics 3 Standard model

1. Particle physics 3Standard model 2011.10.4 Suh, hoyoung

2. 1. History of Standard Model 2. Standard Model Outline

3. 1. History of the particle physics • BC 400 데모크리토스(Democritos) • 가장 작으면서 더 이상 나눠지지 않는 물질 “Atoms” • 18세기 말~19세기 초돌턴(John Dalton) • 물질은 유한한 수의 원자로 만들어져 있다 “원자론” • 1909 장 밥티스트 페랭(Jean Baptise perrin) • 콜로이드 입자의 관찰로 원자론 확증 • 1897 톰슨(Joseph Jonh Thompson): • 음극선이 전하를 띤 ’입자’ 임을 발견, “전자“ → 원자보다 더 작은 입자의 존재, 전자는 원자의 구성 성분이다. • 1895~1903 뢴트겐(wilhelm Konrad Rontgen),앙투안 앙리 베크렐(Antoine Henri Becquerel)퀴리 부부 • X-ray 발견/ 방사선 발견. • → 돌턴의 원자가 더 이상 쪼개지지 않는 입자라면 그 안에서 무언가 분리 되어 나오는 일은 이상한 일이다. • → 방사선이 에너지를 갖고 있음으로 에너지 보존 법칙도 위배됨.

4. 1. History of the particle physics • 1903 러더퍼드 • α입자 산란 실험으로 원자 핵 발견 ‘양성자’→ “원자를 양전하를 띤 원자핵과 주위를 도는 전자들로 이루어 져 있다” • 1911 보어(neals bohr) • 양자역학적 설명으로 원자모형의 안정성 입증. • 1925 하이젠 베르크(Werner Karl Heisenberg), 슈뢰딩거(Erwin Rudolf Josef Alexander Schrodinger) • 양자역학의 이론을 수학적으로 정립. • 1928 보테(Walther Willhelm Georg Franz Bothe): • 알파입자를 베릴륨에 쏘아 중성의 방사성 발견. • 1932 제임스 채드윅(James Chadwick) • 같은 실험을 통해 베릴륨에서 나온 중성의 방사선은 감마선이 아니라 양성자 질량이 같고 전기적으로 중성인 입자임을 증명. ‘중성자’ • → 전자, 양성자, 중성자의 발견으로 원자 구조가 확립되었으나 양성자와 양성자, 중성자 사이의 결합의 설명이 되지 않음.

5. 1. History of the particle physics • 메손(meson) • 1935 유카와 히데키 • “전자기 상호 작용을 매개하는 것이 광자이듯, 핵력을 전달하는 입자가 있을것이다” • *그 입자에 대한 세가지의 해답 • 1. 핵의 스핀이 ½임으로 매개입자의 스핀은 0 또는 1이다., • 2. 양성자-양성자, 양성자-중성자, 중성자-중성자 사이에서 작용하는 힘을 모두 매개하는 입자임으로 전하를 띈 입자와전기적으로 중성인 입자 두 종류가 있어야 한다. • 3. 핵력은 대단히 짧은 거리에서만 작용하므로 매개 입자는 질량이 있을 것이다.(질량은 전자와 핵자의 중간쯤 해당한다고 생각하여 meson이라 불림)

6. 1. History of the particle physics • 반물질(anti-matter) • 1931 디락(Dirac) • 양자역학을 새롭게 정리한 디락 방정식으로 부터 에너지가 음수 해가 나오는 것을 확인, 이를 전자와 모든 면이 같고 전하는 반대인 입자라고 결론내림. • 1932 칼 데이비드 앤더슨(Carl david anderson) • 우주선으로부터 반입자 측정. “양전자(positron) 발견” • 1936 칼 데이비드 앤더슨(Carl david anderson) • 우주선에서 전자보다 200배 무건운 입자 발견, meson이라 여겨졌으나 ‘뮤온(muon)’으로 밝혀짐 • * 뮤온(muon): 전자보다 질랑이 200배 무거운것을 제외하고는 모든 성질이 전자와 같다.

7. 1. History of the particle physics • 새로운 입자들의 홍수 • 1947 세실 프랭크 파웰(Cecil Frank Powel) • 우주선으로부터 “파이온” 발견 ‘유카와’가 예언한 ‘meson’ • 1947 딕슨 로체스터(George Dixon Rochester), 클리퍼트 찰스 버틀러(Cliffoed Charls Butler) • 우주선에서 “케이온(kaon)” • 1948 유진 가드너(Eugen Gardner) • 가속기에서 알파입자를 탄소원자에 충돌시켜 인공적으로 파이온을 만듦. • 1950년 • 버클리의 사이클로트론에서 전기적으로 중선인 파이온이 2개의 광자로 붕괴하는것 발견. • 1955년 에밀리오 지노 세그레, 오언 체임벌린 • 베바트론(Bevatron)에서 반양성자의 존재 확인

8. 1. History of the particle physics • 쿼크(quark) • 1961 머리 겔말( Murray Gell-Mann) • 입자들은 SU(3) 이론으로 정리 • → 8중항 또는 10중항이 3중항으로 이루어졌다고 생각. 그러나 3중항을 이루는 입자는 분수의 전하를 • 갖는다. • SU(3)군의 3중항을 이루는 세 종류의 입자를 쿼크라 하고 각각업(up), 다운(down), 기묘(strange)라는 이름을 붙임 • 쿼크가 페르미온(spin ½) 이면 메손이 보존이 되고, 바리온이 페르미온인 이유도 설명이됨. • *그러나 아직 쿼크라는 것이 실제 입자인지에 대해서 의심하고 있었다.

9. 1. History of the particle physics • 약한 상호작용 • 1920 년까지 원자핵이 베타선을 방출하고 원자핵의 원자 번호가 하나 증가하는 배타 붕괴에 대해 설명하지 못함. • 배타선 붕괴가 일어나면, 원자량은 거의 변하지 않는다. • 베타 붕괴에서 나온 전자의 에너지는 특정한 값이 아니라 다양한 값을 갖는다. 이것은 에너지 보존에 위배되는 것으로 보였음 • 파울리: 보이지 않는 다른 입자를 생각해서 위 현상을 설명 • 1933 페르미 • 파울리 입자를 바탕으로베타 붕괴에 대해 전기력도, 중력도 아닌 새로운 힘, 즉 새로운 상호 작용을 도입 • 이 새로운 상호 작용은 중성자를 양성자로 바꾸고 멀리 떨어진 곳에서 작용하지 않음. • 전자기력의 1/1000 정도의 크기라 약한 상호작용으로 불림. • 파울리 입자를 ‘뉴트리노’ 라 불렀다 • 1956 클라이드 코원(clyde Cowan)과 프레더릭 라이서스(Frederick Reines): 베타 붕괴의 역작용을 중성미자의 존재를 확인.

10. 1. History of the particle physics • 약한 상호작용 • 약한 상호작용이 매주 짧은 거리에서만 작용하는 것은 입자가 질량을 가져야 한다는 것. 그러나 게이지 입자가 질량을 가지면 게이지 대칭성과 재규격화 문제가 생김. • 1964 피터 힉스(Peter Higgs) • 초전도 현상에서 착안해, 만약 스칼라장이 가장 낮은 에너지 상태에 보스 응축되었는데, 그 상태가 대칭성이 깨진 상태라면, 이론의 게이지 대칭성을 깨지지 않은 채로, 자연 현상을 대칭성이 깨진 것처럼(게이지 입자가 질량을 가진 것처럼) 보일수 있다. • 이를 ‘힉스 매커니즘’ 이라 하고 이때 반드시 전기적으로 중성이면 스핀이 0인 입자가 나타나야 한다 ‘힉스 입자’ • 1967 스티븐 와인버그: 전자기-약 작용(electroweak interaction) 와인버거-살람 모형 • 약한 상호 작용과 전자기 상화 작용을 통일적으로 기술하는 논문 “렙톤의 모형” 발표 • 현재 우리가 알고 있는 표준 모형 거의 그대로이다.(아직 쿼크가 실제 입자로 생각하는 사람이 많지 않아서 논문에는 쿼크에 대해 다루지 않았다) • 약상 상호작용을 만들어내는 게이지 입자를, 전기를 띤 W 보손 한쌍과, 전기를 갖지 않은 Z 보손 하나로 정리. • W 보손과 Z 보손은 힉스 메커니즘에 따라 게이지 대칭성이 깨지며 질량을 갖음. 이때SU(2) 게이지 입자와 U(1) 게이지 입자가 서로 섞이면서 질량이 있거나(Z 보손) 또는 질량이 없는 중성의 게이지 입자가(광자) 나온다. • 빛이 질량이 없다는 사실은 U(1) 만큼의 게이지 대칭성이 깨지지 않고 남아있다는 것을 의미하고 이것이 바로 전자기 상호 작용이다.

11. 1. History of the particle physics • 강한 상호작용. • 쿼크의 개념으로 잘 설명이 되었으나 분수전하 및 파울리 배타원리등의 문제가 발생. • 예를 들어, 델타 비리온은 스핀이 같은 업 쿼크3개로 이주어 져 있는데 이는 배타원리에 위배됨. • 1965 한무영, 난부 요이치로 • 또하나의 SU(3) 대칭성이 하드론의 배후에 들어 있을것을 추론, 이 대칭성에 해당하는 양자수를 ‘참 수(charm number)’이라 부름. • 1971머리 겔만, 하랄트 프리슈: • 한무영과 난부 요이치로가 참수라고 부른 양자수를 ‘색깔(color)’이라고 불렀다. • 모든 쿼크는 세가지 색깔중 하나를 갖고, 모든 물리적 상태를 바꾸는 SU(3)변환에 대해 변하지 안는다고 가정. • 쿼크는 삼원색(빨강, 초록, 파랑)을 갖고, 반쿼크는 그 보색을 갖도록 한다. 그러면 • 메손(쿼크+반쿼크=무색), 바리온(3개의 쿼크=빨강+초록+파랑=무색) 곧 SU(3)변환에 대해 변하지 않음. • 1974년 새뮤얼 팅, 버튼 릭터 • 네 번째 쿼크(J/ψ) 발견, 쿼크를 실존 입자로 받아드리게 됨.

12. 1. History of the particle physics • 양성자의 구조 • 1966 리처드 파인만: • 양성자가 어떤 작은 입자(parton)으로 이루어 져 있다고 생각.이 파톤들은 매우 작고 빠른 속도로 양성자 안에서 돌아 다닐수 있는 존재라고 생각. • 낮은 에너지의 충돌에서 양성자 덩어리와 충돌하지만, 높은 에너지의 입자는 파톤의 조각 들과 충돌하게 된다. • 전자 충돌 실험 결과 파톤들은 쿼크들과 그루온 이었으며눈에띄는 것은 2개의 업 쿼크와 1개의 다운쿼크이지만 파톤은 모든 쿼크들 또는 글루온 일수도 있었다. • 심층 비탄성 산란결과 쿼크는 글루온으로 강하게 접착된 형태가 아닌 자유롭게 돌아다니는 입자처럼 보인다. • 양자역학의 효과로 입자들은 끊임없이 생겨났다가 사라지기를반복한다. • 쿼크들은 항상 쌍으로 만들어 졌다가 소명하기 때문에 • ‘맛’은 드러나지 않는다.

13. 1. History of the particle physics 양성자의 구조 파톤 분포확률 양성자 에너지에 대한 파톤 에너지의 비율

14. 2. Standard Model • 표준 모형 • 표준 모형에서 물질의 기본 입자는 쿼크와 렙톤이다. • 쿼크와 렙톤의 상호작용은 게이지 이론으로 기술.강한 상호작용: SU(3) 게이지, 8개의 게이지 입자글루온이 필요 • 전자기-약 상호작용: SU(2)*U(1) ,4개의 게이지 입자필요 • 힉스메커님즘에 따라 게이지 대칭성이 깨지더라도, 빛은 질량이 없음으로 여전히 U(1) 대칭성만 남고 빛만 남게 된다.

15. 2. Standard Model 표준 모형의 한계 중성미자의 질량 중력 암흑물질의 존재를 설명할 수 없다 우리가 사는 세계는 물질로 이루어 졌다. 이것은 물질관 반 물질 사이에 대칭성이 깨진것인데 이것에 대해 표준 모형으로 설명할 수 없다. 표준 모형에는 19개의 변수가 있는데 표준 모형 내에서는 이 변수들의 물리적 의미를 설명할 수 없다.( 대표적으로 질량을 들수 있고 자연의 궁극적인 이론이 19개의 임의적인 숫자를 가지고 시작함) 표준 모형은 쿼크와 렙톤에 세 세대가 있는것을 말해 줄 수 없다.