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[2021 여름호] 1-세상의 근간, 기본 입자와 표준 모형

  • 신유빈
  • 2021-07-23 07:00:28

2021 SUMMER 기획특집 1

세상의 근간, 기본 입자와 표준 모형

Muon g-2, The Crisis of Standard Model


수많은 발전을 거듭한 물리학에서 가장 기본이 되는 이론은 무엇일까요?
다양한 답변이 나올 수 있겠지만, 우주의 모든 물질을 이루는 기본 입자들에 대한 이론인 ‘표준 모형’이 바로 그중 하나라고 생각되는데요.
물질을 이루는 입자를 넘어, 우주에 존재하는 모든 힘의 상호작용을 매개하는 입자들까지 설명해내기 위해 과학자들은 꾸준히 노력해왔습니다.
그러던 중, ‘뮤온 g-2’ 실험으로 인해 물리학의 근간을 이루는 표준 모형이 위기를 맞이했다고 하는데요.
공들여온 이론이 깨질 위험에 처했을 때, 이 실험을 진행한 과학자들은 오히려 환호했다고 합니다.
과연 표준 모형과 뮤온 g-2 실험은 무엇이고, 과학자들은 어째서 환호를 했을지, 지금부터 함께 알아봅시다!



표준 모형의 위기, 뮤온 g-2
4월 8일, 세계 최고이자 최대의 입자물리연구소 중 하나로 꼽히는 페르미 연구소에서
물리학계를 뒤흔든 뮤온 g-2 실험의 결과를 발표하였습니다.
이 결과로 인해 거의 완전하다고 인식되어 온 표준 모형에 새로운 가능성이 제시되면서, 사람들의 관심이 높아지고 있습니다.
여기서 표준 모형이란, 누구나 한 번쯤 의문을 가졌을 만한 ‘세상은 무엇으로 이루어져 있을까?’라는 질문에 대한
물리학자들의 답이라고 할 수 있습니다.
2013년에는 오랜 기간 물리학계의 과제였던 힉스 입자까지 발견되면서,
표준 모형은 인류가 현재까지 관측한 거의 모든 입자와 그들의 상호작용을 설명할 수 있을 정도까지 발전하였습니다.
그렇다면 세상을 이루는 기본 입자에는 어떤 것이 있으며, 이것을 통합하는 표준 모형은 정확히 무엇을 의미하는지 구체적으로 알아볼까요?


페르미온과 보손

우주를 이루는 기본 입자 Elementary Particle는 크게 물질을 구성하는 주된 입자인 페르미온 Fermion과 입자 간의 상호작용을 매개하는 입자인 보손 Boson으로 나눌 수 있습니다. 이러한 페르미온과 보손에는 어떤 입자들이 포함될까요? 아래 그림을 보며 함께 이해해 봅시다.


페르미온과 보손

먼저 페르미온은 6개의 쿼크Quark와 6개의 렙톤Lepton으로 구성됩니다. 그리고 6개의 쿼크와 6개의 렙톤은 또다시 3개의 세대로 구분되며, 1세대에서 3세대로 갈수록 질량이 커지는 특성을 보입니다. 1세대 쿼크는 Up 쿼크와 아래Down 쿼크, 2세대 쿼크는 맵시Charm 쿼크와 야릇한Strange 쿼크, 그리고 3세대 쿼크는 꼭대기Top 쿼크와 바닥Bottom 쿼크를 의미합니다. 렙톤의 경우에는 1세대 렙톤에 전자와 전자 중성미자, 2세대 렙톤에 뮤온과 뮤온 중성미자, 마지막으로 3세대 렙톤에 타우와 타우 중성미자를 포함합니다. 다음으로 보손은 입자 간의 상호작용을 전달하는 역할을 합니다. 이들은 크게 게이지 보손과 힉스 보손으로 나뉘며, 게이지 보손은 다시 강력을 전달하는 글루온과 전자기력을 전달하는 광자, 그리고 약력을 전달하는 W 보손과 Z 보손으로 구성됩니다.


다양한 기본 입자들의 특성을 더 자세히 알고 싶다면?

기본 입자 더 알아보기


페르미온과 보손은 여러 가지 차이점을 가지지만, 가장 큰 차이점은 바로 ‘스핀’이 다르다는 것입니다. 페르미온은 반정수($±1/2$, $±3/2$ 등)의 스핀을, 보손은 정수($0$, $±1$ 등)의 스핀을 가집니다. 스핀은 입자의 기본 성질 중 하나로, 각운동량의 단위를 가지는 물리량입니다. 각운동량은 회전운동하는 물체의 운동량을 의미하는데요. 회전하는 물체의 회전 반지름(r)에 질량($m$)과 선속도($v$)를 곱한 물리량, 즉 $L=mrv$라는 식에 의해 계산할 수 있습니다. 그러나 기본 입자의 스핀은 실제 회전에 의해 생기는 성질은 아닙니다. 복잡한 양자역학 이론에 의하면 실제로 자전 등의 운동을 하지는 않지만, 그와 동일한 물리적 특성을 가지는 것이라고 볼 수 있습니다. 여기까지 기본 입자를 나누는 가장 대표적인 분류, 페르미온과 보손, 그리고 그 둘을 구분하는 ‘스핀’에 대해 알아보았습니다.

기본 입자, 그리고 표준 모형

이번에는 스핀을 제외하고 기본 입자를 나누는 다른 방법들에 대해서도 한번 알아볼까요? 먼저 기본 입자는 입자반입자로 나눌 수 있습니다. 반입자는 다른 성질은 입자와 모두 같고 전하 등 일부 성질만 반대인 것을 말합니다. 이러한 입자와 반입자는 충돌하면 쌍소멸Pair Annihilation이라고 부르는 현상에 의해 큰 에너지를 방출하게 됩니다. 한 예로 전자, 양전자(전자와 전하의 부호만 반대인 입자)가 충돌하여 보손의 한 종류인 광자Photon 두 개를 만드는 현상을 들 수 있습니다. 반대로 에너지를 가해 입자와 반입자를 만드는 현상은 쌍생성Pair Production이라고 부릅니다. 쌍소멸과 쌍생성 모두에서 전체 에너지와 운동량은 보존됩니다.

페르미온은 강입자경입자로도 나눌 수 있는데요. 이들을 나누는 기준은 강력Strong Force의 작용 여부로, 강력이 작용하는 입자가 강입자, 작용하지 않는 입자가 경입자(렙톤)입니다. 여기서 강력은 원자핵 안의 양성자나 중성자와 같은 핵자 사이에 작용하는 강한 결합력을 의미합니다. 강입자에는 중입자와 중간자가 포함됩니다. 중입자는 세 개의 쿼크가 매개 입자인 글루온에 의해 결합하여 있는 것을 의미하며, 중간자는 쿼크와 반(反)쿼크가 하나씩 서로 속박된 것을 의미합니다. 경입자는 앞에서 살펴본 렙톤과 같은 의미로, 강력이 작용하지 않고 그보다 약한 약력Weak Force이 주로 작용하는 입자를 말합니다.

이렇게 여러 가지 기본 입자들과 그 특성에 대해 간단히 살펴보았는데요. 이렇게 복잡한 기본 입자들의 상호작용을 설명하는 것이 바로 표준 모형Standard Model입니다. 물리학자들은 강력, 약력, 전자기력, 중력으로 대표되는 네 가지 상호작용을 설명할 수 있는 하나의 통합된 이론이 있으리라 생각해왔고, 그중 기본 입자와 강력, 약력, 전자기력의 상호작용을 통틀어 표준 모형이라고 칭한 것이죠. 현재까지 약력과 전자기력을 통합하는 데 성공하였습니다. 그러나 강력의 경우에는 아직 통합되지 않았으며 중력은 아직 양자역학적 기반이 마련되지 않았다는 한계가 존재합니다.

표준 모형의 발전, 그리고 질량을 부여하는 힉스장

표준 모형은 과학자들의 노력으로 지속적으로 발전하고 있는데요. 약력과 전자기력의 통합 외에 표준 모형의 발전 과정에서 중요한 발견이라 손에 꼽히는 것이 있습니다. 바로 힉스 입자와 힉스장입니다. 힉스 입자에 대해서 이해하려면 먼저 게이지 이론Gauge Theory에 대한 이해가 필요합니다. 게이지 이론은 게이지 보손이 어떻게 페르미온을 구성하는 두 부류의 입자인 쿼크와 렙톤의 상호작용을 매개하는지 설명하는 이론입니다. 이 이론에 의하면 입자들은 시공간에 변화를 주어도 물리 현상이 변하지 않는다는, ‘게이지 대칭성’이라는 성질을 가집니다. 하지만 게이지 이론에는 게이지 보손의 질량이 없다고 가정하였다는 한계가 있었습니다. 게이지 보손 중 한 종류이자 질량이 없는 광자가 매개하는 전자기력은 게이지 이론으로 설명이 가능하지만, 약력을 매개하는 게이지 보손들은 분명 0이 아닌 질량을 가지고 있었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 ‘자발적 대칭성 깨짐'Spontaneous Symmetry Breaking이라는 개념이 도입되었습니다. 이는 이론적으로는 입자 간에 대칭성이 있으나 현실에서는 그렇지 않다는 것을 의미하는데, 이러한 발상이 성립하기 위해서는 새로운 메커니즘이 있어야 했습니다. 그렇게 등장한 것이 입자에 질량을 부여하는 힉스장Higgs Field입니다.


힉스장과 질량

힉스장은 힉스 입자Higgs Boson에 해당하는 자기장이나 전기장과 같은 장입니다. 다만 힉스장은 자기장이나 전기장과는 다르게, 각 점에 방향에 대한 정보 없이 크기값만이 대응되는 스칼라장이죠. 위 그림에서, 중심 부분은 힉스장이 0인 상태이고 바깥으로 갈수록 힉스장이 커집니다. 우리 우주는 힉스장이 0이 아닌 특정 지점에서 최소의 에너지를 가지면서 안정됩니다. 우주 초기에 입자들이 0이 아닌 힉스장과 상호작용하면서 질량을 획득하였을 것이라고 추측하는 것이죠. 이러한 힉스 입자의 개념이 처음으로 제시된 이후 50년이 넘도록 발견되지 않다가, 2013년 CERNConseil Européenne pour la Recherche Nucléaire에 의해 공식적으로 발견되면서 물리학계에 커다란 반향을 가져오기도 하였습니다.


힉스장이 어떻게 입자에 질량을 부여하는지 더 쉽게 이해하고 싶다면?

힉스장 더 알아보기



지금까지 세상을 구성하는 기본 입자와 표준 모형에 대해 알아보았습니다.
기본 입자는 페르미온과 보손으로 나눌 수 있으며, 이들은 스핀이 다르게 나타난다는 중요한 특성을 가집니다.
이러한 기본 입자의 상호작용을 설명하기 위해 물리학자들은 표준 모형을 고안하여 현재까지 약력과 전자기력을 통합하였으며,
여기서 그치지 않고 기본 입자들에 질량을 부여하는 힉스장까지 발견하였습니다.

현재의 표준 모형이 있기까지 과학자들이 오랜 시간을 거쳐 표준 모형의 개념을 도입하고 밝혀왔듯,
기본 입자에 관한 연구는 여전히 활발하게 진행되고 있습니다.
특히 양자역학에 기반하여 입자들의 물리적 특성을 밝히고자 하는 노력이 이루어지고 있는데요.
앞서 언급한 입자의 스핀 또한 현대에 와서 양자역학적으로 해석되고 있기도 합니다.
그렇다면 지금까지 양자역학적 시선에서는 어떤 발견을 해왔을지, 다음 꼭지에서 알아보도록 할까요?


[참고문헌]
1. Ethan Siegel, 「Ask Ethan: What’s The Difference Between A Fermion And A Boson?」, 『Forbes』, 2017.4.1. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/01/ask-ethan-whats-the-difference-between-a-fermion-and-a-boson/?sh=36434f201c72
2. 권성준, 「[MHN 과학] 보존과 거시세계의 양자역학, 2001 노벨 물리학상: 보스-아인슈타인 응축」, 『문화뉴스』, 2020.6.5. http://www.mhns.co.kr/news/articleView.html?idxno=409472
3. 이종필, 「힉스 입자, 질량을 부여하다」, 『물리산책』, 2009.9.20. https://terms.naver.com/entry.naver?docId=3566979&cid=58941&categoryId=58960
4. 권성준, 「[MHN 과학] 이상한 입자의 세계, 1945 노벨 물리학상: 파울리 배타 원리」, 『문화뉴스』, 2020.5.8. http://www.mhns.co.kr/news/articleView.html?idxno=407292 .
5. 김수동, 「존재하는 물질이 있다면 반존재하는 반물질도 있다」, 『KOREA IT TIMES』, 2015.1.2. koreaittimes.com/news/articleView.html?idxno=43777
6. 강양구, 「노벨상 ‘힉스 입자’? 강남에서 ‘말춤’ 추는 싸이!」, 『프레시안』, 2013.10.9. https://www.pressian.com/pages/articles/69433#0DKU


기획특집 ② - 밝혀지는 양자 세계, 기본 입자들의 물리적 특성 편으로 이어집니다.

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ALIMI 26기 생명과학과 신유빈

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