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■ 우주(자연계)를 구성하는 기본입자 (Elementary Particle)
현재 입자물리학에서 12개의 "기본입자 (물질입자)"와 4개의 "상호작용입자 (힘의 매개입자)"는 입자가속기를 통해 그 존재가 확인되었다.
"힉스(Higgs) 입자" (표준모형에 포함, 신의 입자라고 불리는 가상의 입자)는 표준모형의 유일한 스칼라 입자로 기본입자(페르미온)의 질량을 결정한다고 하며 아직 발견되지는 않았다. 질량이 없는 12개의 기본 입자가 결합해서 만들어진 물질에는 질량이 있는 모순이 생겼는데, 물리학자들은 이 모순을 '힉스' 입자로 설명하고 있다.
"힉스입자"란 무엇인가?
-. 표준모형(Standard Model)에 따르면 우주(자연계)는 쿼크(Quark)와 경입자(Lepton)로 불리는 입자들로 구성되어 있으며, 이들은 광자(photon), 글루온(gluon), W입자, Z입자를 주고 받음으로써 입자들끼리 상호작용을 한다고 설명하고 있다.
-. 중력자(graviton) : 광속도로 움직이고 질량과 전하는 없으며 스핀은 2라고 끈이론(양자적 중력이론)에서 예측하고 있으나, 아직 관측된 바는 없다.
[중력을 제외한 3가지의 힘 : 광자(포톤)=전자기력, 글루온=강력, W입자·Z입자=약력]
(상대적인 힘의 크기 : 강력>전자기력>약력>중력)
▶ 기본입자 (12개) : 쿼크 6개, 뉴트리노(중성미자) 3개, 전자와 사촌입자(뮤온, 타우)
(뮤온, 타우 : 전자와 성질이 비슷하면서 질량이 큼)
-. 페르미온(Fermion)은 스핀이 반(半)정수값(1/2, 3/2 등)인 입자, 표준모형에서 우주를 구성하는 물질, 즉 쿼크(Quark)와 렙톤(Lepton)
-. 보존은 여러 개의 입자가 같은 물리적 상태에 있을 수 있다. (보즈-아인슈타인 응축) 반면에 페르미온은 같은 양자상태에 둘 이상의 입자가 있을 수 없다. (배타(排他)원리) 여러 개의 페르미온이 있으면 각 페르미온은 각기 서로 다른 상태를 차곡차곡 채워 나간다. 이 때문에 페르미온은 물질을 구성하는 역할을 한다.
-. 뉴트리노(중성미자) : 전기적으로 중성이며 질량이 0에 가깝고 다른 입자들과 상호작용을 거의 하지 않아 검출하기 매우 어렵다. (투과력이 뛰어남)
-. 보존(Boson)은 스핀이 정수값(0, 1, 2 등)인 입자, 기본적인 물리적 힘을 전달하는 것으로 생각되는 원자 구성입자의 한 분류에 속하는 입자군으로 이러한 힘은 이론적으로 전달장(傳達場, carrier field)에 의해 한 입자에서 다른 입자로 전달되는데, 이 전달장은 해당 보존(Boson)에 의해 구체화된다.
-. 신의 입자로 불리며 소립자들에게 질량을 부여하는 힉스(Higgs) 입자는 스핀이 0인 "보존"이다.
-. 인플레이션우주론에 의한 우주의 밀도
/ 5% 일상적인 물질(양성자, 중성자) / 25% 암흑물질 / 70% 암흑에너지 /
(암흑에너지 : 아인슈타인의 우주상수, 팽창의 원인)
(우주배경복사 관측 위성 : 1989-COBE, 2001-WMAP, 2007-플랑크)
▶ 상상·추측 → 관측 (COBE 위성, 플랑크 위성) → 실험 (LHC, 강입자 가속기)
초대칭 이론 (Supersymmetry Theory)
▶ 초대칭 이론 (Supersymmetry Theory)
초대칭성이란 "페르미온(Fermion, 반정수 스핀)"과 "보존(Boson, 정수 스핀)"이 각각 짝을 이루어 존재한다는 이론. 스핀=1/2인 입자는 스핀=0인 초대칭짝을 작고, 스핀=1인 입자는 스핀=1/2인 초대칭짝을 갖게 된다.
쿼크(quark) ↔ 스쿼크(symmetric quark) / 뉴트리노(neutrino) ↔ 스뉴트리노(sneutrino)
글로온(gluon) ↔ 글루이노(gluino) / 광자(photon) ↔ 포티노(photino)
W ↔ 위노(wino) / Z ↔ 지노(zino) / 힉스(higgs) ↔ 힉시노(higgsino)
초대칭 모델에 의하면 각각의 페르미온은 보존 입자적인 동반를 가지고 있으며, 또 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 예를 들어, 전자(electron)의 보존은 셀렉트론(Selectrons)이다. 이제까지 이러한 동반 입자가 존재한다는 실질적인 증거는 없었다. 그러나 많은 이론가들은 준원자 입자들의 세계에서 두 가지 큰 범주를 연결시켜 주는 훌륭한 방법으로 초대칭성을 발견하였다.
입자가속기... 미니 빅뱅 실험, 미시세계의 관찰로 우주탄생의 신비를 밝힌다.
■ 선(CERN)의 "강입자 가속기 (LHC, Large Hadron Collider)"
스위스 제네바 근방의 "유럽 입자물리학 연구소(CERN)"에서 만든 세계최대의 입자 가속 및 충돌기이다. 1994년에 시작돼 14년 동안 100억 달러(약 11조4000억 원)가 투입된 가운데 유럽연합 20개국의 6,000여명을 비롯하여 전 세계에서 약 1만 명의 과학자들이 참여해 만들어진 LHC는 절대온도 0도(영하 273도)의 극저온 상태에 두 개의 입자 빔을 광속에 가까운 속도(1초에 빛보다 겨우 8m 뒤짐)로 충돌시킴으로써 우주대폭발(빅뱅) 직후의 상황을 재현하는 장치로 우주탄생의 신비를 밝혀줄 것으로 기대를 모았다.
스위스와 프랑스 국경 지대 지하 100m(50~175m)에 설치되는 길이 27km(지름 8km)의 LHC는 2008년 9월부터 가동에 들어갔다. 이전까지 최고였던 미국 "페르미 연구소 (Fermilab)"의 "테바트론 가속기"보다 7배나 높은 고에너지를 구현한다.
-. LHC를 통해 얻고자 하는 것 (힉스입자 발견, 초대칭 확인, 암흑물질·에너지 정체)
1. 표준모형에서 기본입자에 질량을 부여하는 힉스 메커니즘이 실제로 일어날까?
만약 그렇다면, 힉스 보존의 질량과 수량은 어느 정도인가?
2. 바리온들의 질량들 사이의 비율을 보다 정밀히 측정한 결과가 여전히 표준모형과
맞아 떨어질까?
3. 알려진 입자들에 대한 초대칭 짝입자(Super Symmetric partner)가 존재할까?
4. 왜 물질과 반물질 사이에 명백한 비대칭이 있는 것인가?
5. 끈 이론 등에 의해 예측된 추가 차원이 실재하는가?
6. 암흑물질과 암흑에너지의 정체는 무엇인가?
7. 중력이 다른 기본 상호작용들에 비해 터무니없이 약한 이유는 무엇일까?
[2009-02-10 연합뉴스] CERN "강입자가속기 9월 재가동"
세계 최대의 거대 강입자가속기(LHC)가 다시 정상가동 되려면 당초 예상과는 달리 오는 가을이나 되어야 할 것이라고 유럽입자물리학연구소(CERN)가 10일 밝혔다.
CERN측은 작년 9월 10일 LHC를 가동시켜 약 139억년전 우주 탄생의 순간을 재현하기 위한 빅뱅 실험을 실시했으나, 이튿날 고장 난 변압기를 교체한 뒤 LHC를 재가동시켰다.
그러나 1주일여가 지난 후 LHC에 설치된 2개의 거대한 초전도 자석들의 전기 연결장치에 문제가 생겨 액체 헬륨이 새어 나온 것을 확인하고, 문제 구간의 수리가 끝날 때까지 가동을 중단시켰다.
이 구간을 수리하기 위해서는 영하 271.3℃에서 온도를 실온으로 올리고 초전도 자석들을 개방해야 하는 만큼 여기에 3∼4주의 시일이 걸리고, 겨울철 정비기간 등을 고려할 때 오는 6월께나 되어야 할 것으로 예상됐으나, CERN측은 충분한 수리 기간을 고려해서 그 시기를 더욱 늦춰 잡았다.
앞서 CERN측은 문제가 발생한 LHC의 전기연결 장치를 완전히 수리하는 데는 최소 2천500만 스위스프랑(≒300억원)의 비용이 들 것으로 추산했다.
[2012-07-04] CERN, 힉스입자로 추정되는 소립자 발견
"아직 힉스 입자라고 확신할 수는 없지만 이번에 발견한 입자가 새로운 입자인 것은 확실하다."
유럽핵입자물리연구소(CERN)는 4일 호주 멜버른에서 열린 고에너지학회 연합 세미나에서 대형강입자충돌기(LHC)를 이용하는 CMS(Compact Muon Solenoid) 실험팀이 125GeV(기가전자볼트, 1Gev는 10억 전자볼트)의 질량대에서 새로운 입자를 발견했다고 발표했다.
CMS 실험팀은 "125GeV에서 관측된 입자는 5시그마 신뢰도에서 표준모형의 힉스 입자에 부합한다"고 밝혔다. 이번 실험결과에서 오차가 발생할 확률은 99.99994%이다.
CERN 연구진은 "오는 12월까지 지금까지 얻은 통계치의 약 세 배에 달하는 데이터를 얻을 수 있을 것"이라며 "오늘 발견된 입자의 성격이 힉스인지 아닌지는 12월에 알 수 있을 것"이라고 전했다. 2013년 3월 14일 지난해 7월 발견된 소립자는 힉스입자로 판명되었다고, 힉스입자가 물질의 표준모형에 적합한지를 연구한 결과, 2013년 10월 4일 힉스입자의 존재를 확인하였다고 언론을 통해 발표하였다.
■ 페르미 연구소(Fermilab)의 "테바트론(Tevatron) 가속기"
미국 시카고, 1979년 양성자와 반양성자를 9000억eV까지 가속할 수 있는 세계 최대의 양성자·반양성자 충돌형 가속기인 테바트론 가속기를 만들었다.
이 가속기는 양성자와 반양성자를 각기 다른 방향으로 가속해 충돌시키면, 최대 2조eV까지 얻을 수 있다. 페르미연구소는 이 가속기를 이용해 1994년 자연계에 존재하는 마지막 소립자로 불리던 'Top' 쿼크를 발견하였다.
그 밖에 페르미연구소에서는 힉스입자 탐색을 비롯해 전자기약작용, 초대칭이론, 초끈이론, 대통일장이론 등 표준모형 검색을 통한 새로운 입자를 탐색하는 연구를 한다. 연구진은 1,500여 명이며, 20여 개국 80여 개 연구소가 공동으로 참여하고 있다.
유럽입자물리연구소(CERN)와 함께 세계 최고의 입자물리연구소로 불린다.
Posted by o자세o (pose687)
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