1주: 물질과 힘 그리고 측정(Matter and forces, measuring and counting)
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W1.1 물질(Matter)/동영상/영문자막/슬라이드
제네바 대학에서 제공하는 아원자 물리학(subatomic physics)의 입문과정에 환영 합니다. 이번주 강의의 첫편은 다음과 같은 내용을 포함한다.
- 입자 물리학에서 다루는 대상, 그러니까 물질(matter), 힘(forces), 시공간(space-time)의 개요
- 단면의 개념(concepts of cross section)을 통해 입자들 사이에 상호작용하는 힘의 특징
- 제네바 대학의 핵물리 실험실 방문
물질(matter)을 원자 이하의 수준(subatomic level)에서 간략하게 살펴보기로 한다. 첫편을 보고나면 다음과 같은 내용을 알게 된다.
- 쿼크(quarks)와 렙톤(leptons)이라는 입자들의 이름에 익숙해 지고 그들의 기본 특성을 이해 한다.
- 물질이 어떤 입자들로 구성되는지, 그 입자들의 계보(families and generation)를 분류할 수 있게 되고,
- 입자들은 상호작용을 통해 여러 형태로 변형되면서 입자들의 계보가 생기며, 그 와중에 (마치 에너지 보전 같이) 보전(conservation)되는 양자수(quantum number)가 있다는 것을 알게된다.
우리는 물질의 원자이하(subatomic)의 미세한 구조에 대해 관심을 가져왔다. 이 그림은 원자를 구성하는 입자의 개념도다. (http://www.cpepphysics.org/cpep_sm_large.html)
- 원자(atom)의 구성은 양의 전기를 띄는(하전된, charged) 크기는 ~10^(-14)m인 핵(nucleus) 과 약 1만배 큰 음의 전기를 띈 전자 구름(cloud, 전자는 쉽게 자리를 바꾸며 위치를 특정하지 못하기 때문에 구름으로 표현함)으로 둘러쌓여 있다. 전자의 크기는 ~10^(-10)m 가량 된다.
- 전자(electron)는 기본 입자로서 하위 구조를 갖지 않는다(더이상 작은 단위로 쪼개지지 않음). 렙톤 계열(lepton family)에 속한다.
- 전자와 핵은 서로 반대의 전기를 띄고 있어 전자기력(electromagnetic force)으로 묶여있다.
- 한편 핵은 기초 입자가 아니라서 하위 구조로 양성자(protons)와 중성자(neutrons)로 구성되며 이 둘을 묶는 힘은 핵력(nuclear force)이다.
- 양성자와 중성자 또한 기초입자가 아니며 강한 핵력(the strong force)으로 묶인 쿼크(quarks)들로 구성된다.
현재까지 쿼크가 전자처럼 더이상 쪼개지지 않는 기초 입자로 알고 있지만 우주(universe)는 우리가 알고 있는 물질(matter)이 단 5%에 불과 하다는 점에 주목해야 한다. 나머지는 암흑 물질(Dark matter 25%), 암흑 에너지(Dark energy 70%)로 구성되었다. (기초 입자 이외에 뭔가 더 있거나, 기초입자라고 알고 있는 입자들이 실은 하위 구조를 가졌을지도 모른다.)
* 강좌 슬라이드에 사용된 각종 도표들은 물리교육 포스터 사이트 CPEPweb.org 에서 차용되었다.
쿼크와 렙톤은 특성(properties)에 따라 가계(families)로, 질량(mass)에 따라 세대(generation)로 구분한다. 위의 표를 보자.
- 렙톤 계(lepton families)는 표의 왼쪽: 전하를 띈 렙톤(charged lepton)은 전자(electron)와 비슷한 특성을 갖는다. 하전량은 -e 이다. 중성 렙톤(neutral lepton)은 중성미자(neutrino)라고 하는데 방사성 붕괴(radioactive decay) 과정에서 만들어진다. 전기적으로 중성이며 매우 작은 질량을 갖는다.
- 쿼크 계(quark families)는 표의 오른쪽: 양성자(proton)와 중성자(neutron)가 차지하며 모두 강입자(hadron)라고 부른다. 두가지 종류가 있는데, 업-쿼크(up-type quark)는 하전량이 +2/3e, 다운-쿼크(down-type quark)는 -1/3e다.
각 가계(families)는 세개의 세대(three generation)으로 분류하는데 질량이 무거워 진다는 점 빼고는 같은 가계내에서 특성은 같다.
- 첫번째 세대(first generation)는 전자(electron, e), 가벼운 중성미자(light neutrino, νL), 업 쿼크(up-quark, u), 다운 쿼크(down-quark, d)가 있다. 이 세대에 속한 입자들이 현재 우리 주변의 물질(matter)들을 이이룬다.
- 두번째 세대의 입자는 뮤온(muon, μ), 중간 중성미자(medium neutrino, νM), 참 쿼크(charm quark, c), 스트레인지 쿼크(strange quark, s) 가 있다.
- 세번째 세대의 입자는 타우 렙톤(tau lepton, τ), 무거운 중성미자(heavy neutrino νH), 탑 쿼크(top-quark, t)와 버텀 쿼크(bottom-quark, b)가 있다.
- 양자수(quantum number)를 '플레이버(flavor)'라고 한다. 각 계보 내에서 세대 구분을 해준다. 이 양자수는 약력(weak interaction)에 의한 작용을 제외한 입자들 간의 상호 작용시 보전되는 값이다.
표에서 보듯이 질량의 범위(range of mass)는 매우 넓다.
- 중성미자(neutrinos)는 물질이 되는 입자 중에서 가장 가볍다. 질량은 2eV이하 인데 아마도 meV 급이 될 것으로 본다. 약력에 대해서는 6강에서 다룰 것이다. (질량을 힘 또는 에너지 준위 단위인 전자볼트 eV 로 기술하는 것에 익숙해지자.)
- 가장 무거운 탑 쿼크는 원자번호 A=172에 하전량이 Z=72인 하프늄(Hafnium)의 핵만큼이나 무겁다. 하지만 모든 입자는 아주 작은 점 입자(point-like particle)다.
린네가 식물의 특징에 따라 학명을 붙였던 것처럼 입자에도 이름을 붙여보기로 한다. 아주 특이한 미시 세계에 존재하는 입자들을 분류하여 이름을 붙인다. 분류항목과 이름에 현실의 단어들이 동원되었다. 그냥 이름일 뿐이다. 크게 괘심치 말자.
- 쿼크를 가지고 있는 입자를 강입자(hadron) 이라고 부른다. 강입자들은 강한 핵력(strong nuclear interaction)에 반응하는 한편 렙톤은 그렇지 않다.
- 바리온(baryons)은 3개의 쿼크(three quarks)가 뭉쳐 졌을 때 안정 상태(bound state)를 유지한다. 메손(mesons)은 한개의 쿼크와 한개의 반쿼크(anti-quark)로 구성된다.
- 양성자(proton, p)와 중성자(neutrons, n)을 핵자(nucleons)라고 하며 가장 가벼운 바리온이다. 우리주변의 모든 물질을 구성하는 원자의 핵을 구성한다.
- 탑-쿼크(top-quark)가 포함된 바리온은 존재하지 않는다. 탑-쿼크의 주기(lifetime)이 매우 짧기 때문이다. 탑-쿼크는 다른 입자와 뭉쳐 안정된 상태를 갖기 전에 붕괴(decay)해 버리기 때문이다.
- 렙톤(leptons)은 우리가 아는 다른 어떤 입자로 조개지지 않다는 뜻에서 기초 입자(elementary particle)라고 할 수 있다(현재까지 알려진 것 외에 더 작은 입자가 있을지도 모르지만).
- 쿼크든 렙톤이든 점-입자(point-like particle)로서 입자의 크기로 관측 할 수 없다.
* 중성미자를 νe, νμ, ντ 로 표기하기도 하는데 이 강좌에서는 νL, νM, νH로 하겠다.
- 중성미자(neutrinos)는 세가지 종류로 나눠 놓은 것을 볼 수 있는데 실제로 질량이 달라 세가지 세대(generation)로 구분했다(νL, νM, νH).
- 쿼크(quarks) 끼리 매우 강력한 힘으로 묶여 있어 매우 안정된 상태에 있다. 이렇게 강력한 힘(the strong force)에 반응하려면 쿼크는 이에 상응하는 전하를 띄고 있어야 하는데 이를 '색상'으로 표시한다. 쿼크는 '색상 하전(Color Charge)'을 가지고 있지만 렙톤은 없다.
- 앞서 나열한 성질을 바탕으로 강입자의 계보(zoology of hadrons)를 나열하면 이 표와 같다. 입자들의 특성 자료들을 수집과 정리는 '입자 자료 그룹(Particle Data Group-PDG.lbl.gov)'에서 수행한다. 입자의 완전한 자료는 PDG의 홈페이지에 모두 공개되어 있다.
- 왼편의 표는 세개의 쿼크(three quark)가 뭉쳐진 바리온(baryon) 목록이다. 양성자(proton)는 p=(uud) 그리고 중성자(neutron)은 n=(udd)
- 오른편의 표는 쿼크(a quark)와 반쿼크(an anti-quark)의 짝으로 엮여있는 메손(mesons)의 목록이다. 예를 들어 π+=(u,đ)
- 렙톤(leptons)은 강한 핵력에 반응할 '색상 하전(Color charge)'을 띄고 있지 않다. 렙톤은 단지 전자기력(electromagnetic force)과 약력(the weak force)을 통해 상호작용 하며 수명(안정된 상태로 머무는 기간)이 짧다.
아래의 표에 기초 입자의 특성(properties of elementary particl es)을 정리해 놓았다:
- 표의 윗쪽 두 입자 렙톤(lepton)과 쿼크(quark)는 물질(matter)을 구성하는 입자들로 스핀이 1/2인 페르미온(fermions of spin 1/2)이다.
- 표의 아랫쪽 두 입자는 힘을 내는(transmit forces) 입자들로 정수배 스핀을 갖는 보존(bosons of integer spin)이다.
- 전하(charge, 전기를 띔)의 양은 기초입자인 전자(electron)의 단위로 표시한다. 예로, -1로 표기되었다면 전자라는 입자가 가진 전하량의 -1배라는 뜻이다.
- 전하(electric charge)는 한가지 성분(component)으로 나타내지만 하전의 개념(concepts of charge)이 전자기적(electromagnetism) 관점에 국한되지 않는다.
- 약한 전하(the weak charge)는 '약한 하전 스핀(weak isospin)'이라고 하는데 전자기(electromagnetism)가 한개의 성분을 가지는 것과는 달리 두개의 성분(two components)을 띈다. 위 표에서 T, T3로 표기된 것은 약한 하전스핀의 총 길이와 세번째 성분((the total length of the weak isospin its third component)을 의미한다.
- 하전(the charge)은 입자의 운동 방향에 대한 스핀 방향에 따라 결정된다. 말하자면 입자의 스핀 성분 값에 따라 결정된다.
- 강한 전하(the strong charge)세가지 성분을 갖는다(three components). 세가지를 색상에 비유하여 표시하는데 약자로 R은 적색, G는 녹색, B는 청색이다(세가지 성분을 삼원색에 비유한 것이다. 삼원색을 섞어 총천연색을 만들어낸다). '색상(color)'은 쿼크와 글루온(gluons)이 갖는 특성이다.
모든 입자는 동일한 질량을 가지면서 위의 표에서 보인 것처럼 특성값이 정반대인 반입자(anti-particle)가 있다.
전하(charges)는 양자수(quantum numbers)로 가감된다. 한 입자계(particle system)에서 총 전하는 그 시스템을 구성하는 입자들이 가진 전하의 합이다. 한편 입자의 양자수는 (quantum number)는 보전된다.
- 바리온의 총 양자수 그러니까 바리온의 양자수 빼기 반 바리온(anti-baryon)의 수를 뺀 값은 보전된다. 이는 다른 입자에 대해서도 동일하게 적용 되는데 일예로 쿼크와 반 쿼크의 경우 양자수는 바리온의 1/3이다.
- 렙톤의 총 양자수, 닫힌 시스템에서는 렙톤의 수 빼기 반 렙톤(anti-lepton)의 수 또한 일정하다. 세대와 세대를 거치면서도 이 보전은 어느정도 유지되지만 중성미자(neutrinos) νe, νμ, ντ 의 경우 입자들이 혼재되어있다. 따라서 약한 상호작용(weak interactions)에서 세대(generation)들 간 혼재되어 있다.
- 양자수의 보전 보다 더 중요한 사실은 모든 양식의 전하는 우리가 아는한 엄격히 보전된다는 사실이다. 따라서 이런 보전이 으링게 익숙한 전기 전하 Q는 물론 약한 전하(the weak isospin) T와 T3와 색 전하 C=(R, G, B) 도 관련되었다는 증거라고 할 수 있다.
- 쿼크 또는 렙톤의 세대별 구분을 짖는(distinguishes between generation) 내부 양자수 플레버(flavor)는 특이하다. 강력과 전자기력의 상호작용에 대해서는 보전 되지만 약력에 의한 상호작용에서는 보전되지 않는다.
- 양자수의 보전이 정확하게 어떤 의미를 가지는지 1.5절과 4.1a 절에서 파인만 도(Feynman diagram)을 공부하면서 살펴보기로 한다.
연습: 물질(matter) 입자
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