세대 (물리학)

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1. 개요
2. 세대의 구성
- 2.1. 세대별 입자 목록
3. 질량 계층
4. 네 번째 세대
- 4.1. 네 번째 세대 입자 탐색
5. 기원
참조

1. 개요

세대(물리학)는 소립자 물리학의 표준 모형에서 물질을 구성하는 페르미온의 분류로, 쿼크 두 종류와 렙톤 두 종류로 각 세대가 구성된다. 현재까지 3개의 세대가 발견되었으며, 각 세대 내 입자들은 질량만 다르고 다른 성질은 동일하다. 3세대 이상의 쿼크가 존재하면 약한 상호작용에서의 CP 대칭성 깨짐을 설명할 수 있으며, 표준 모형의 이상 현상을 상쇄하는 조건에 의해 한 세대의 구성이 결정된다. 세대가 높아질수록 입자의 질량이 증가하며, 이는 물질이 제1세대 입자만으로 구성되는 이유를 설명한다. 4세대 존재 가능성은 우주론적 관측 결과로 희박하며, 많은 이론 물리학자들은 4세대 이후의 세대 가능성이 낮다고 본다. 여러 세대가 존재하는 이유, 특히 세 개의 세대가 존재하는 이유는 미해결 물리학 문제로 남아있다.

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표준 모형 - 글루온
글루온은 쿼크 사이의 색력을 전달하는 기본 입자로, 색전하를 지닌 벡터 보손이며, 양자색역학에 따라 8가지 종류가 존재하고, 쿼크와 상호작용하여 하드론을 형성하지만 색 가둠 현상으로 인해 자유롭게 관측되지는 않는다.
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자발 대칭 깨짐은 물리 법칙은 특정 대칭성을 갖지만 계의 상태는 그렇지 않은 현상으로, 명시적 대칭성 깨짐과 대조되며 강자성체의 자발 자화, 힉스 메커니즘, 초전도 현상 등을 설명하는 데 사용된다.

세대 (물리학)
개요
표준 모형의 기본 입자. 세 개의 세대 또는 가족으로 그룹화됨.
종류	기본 입자의 구분
그룹 수	3
입자 종류	쿼크 렙톤
쿼크
종류	위 쿼크 아래 쿼크
세대별 종류	제1세대: 위 쿼크 아래 쿼크 제2세대: charm 쿼크 strange 쿼크 제3세대: top 쿼크 bottom 쿼크
렙톤
종류	하전 렙톤 중성미자
하전 렙톤 종류	전자 뮤온 타우
중성미자 종류	전자 중성미자 뮤온 중성미자 타우 중성미자
세대별 종류	제1세대: 전자 전자 중성미자 제2세대: 뮤온 뮤온 중성미자 제3세대: 타우 타우 중성미자

2. 세대의 구성

표준모형에서 물질을 구성하는 페르미온은 2 종류의 쿼크와 2 종류의 렙톤으로 한 세대를 구성하며, 현재까지 세 개의 세대가 발견되었다. 쿼크는 전하 +2/3의 업형 쿼크와 전하 -1/3의 다운형 쿼크 2종류로, 렙톤은 전하 -1의 하전 렙톤(전자와 동일)과 전하 0의 중성미자 2종류로 분류할 수 있다. 각 세대 사이는 입자의 질량만 다르고, 모든 기본 상호작용 및 양자수는 동일하다.

고바야시-마스카와 이론에 따르면, 3세대 이상의 쿼크가 존재하면 약한 상호작용에서의 CP 대칭성 깨짐을 설명할 수 있다.^[15] 한 세대의 구성은 표준 모형의 이상 현상이 상쇄되는 조건에 의해 결정된다. 이는 표준 모형의 연장으로서 대통일 이론이 존재함을 시사하며, 제안된 몇몇 모델에서 쿼크와 렙톤이 통일적으로 기술되고 있다.^[16]^[17]

렙톤 세대 간의 관계에 대한 포괄적인 이해는 궁극적으로 기본 입자의 질량 비율을 설명하고, 양자 관점에서 일반적으로 질량의 본질에 대한 추가적인 빛을 비추는 데 기여할 것으로 기대된다.^[5]

2. 1. 세대별 입자 목록

각 세대는 두 가지의 렙톤과 두 가지의 쿼크로 이루어진다. 두 렙톤 중 하나는 단위전하를 띠고, 다른 하나는 전하를 갖지 않는다. (이 중성 입자는 중성미자라 부른다.) 두 쿼크는 각 −과 +의 전하를 가진다.^[23]

	전하	1세대	2세대	3세대
쿼크	+	위	맵시	꼭대기
쿼크	-	아래	기묘	바닥
렙톤	-1	전자	뮤온	타우온
렙톤	0	전자 중성미자	뮤온 중성미자	타우 중성미자

고차 세대의 각 구성원은 이전 세대의 해당 입자보다 더 큰 질량을 가지며, 중성미자의 경우는 예외일 수 있다(작지만 0이 아닌 질량이 정확하게 결정되지 않았음). 예를 들어, 1세대 전자는 의 질량을 가지며, 2세대 뮤온은 의 질량을 가지고, 3세대 타우는 의 질량을 가진다(거의 양성자의 두 배). 이러한 질량 계층^[1]은 고차 세대의 입자가 1세대로 붕괴되게 하며, 이것이 일상적인 물질(원자)이 1세대의 입자로만 구성된 이유를 설명한다. 전자는 원자핵을 둘러싸고 있으며, 원자핵은 위 쿼크와 아래 쿼크를 포함하는 양성자와 중성자로 구성된다. 2세대 및 3세대의 전하를 띤 입자는 정상적인 물질에서는 발생하지 않으며, 우주선 또는 입자 가속기와 같은 극도로 높은 에너지 환경에서만 관찰된다. "세대"라는 용어는 1976년 레 우슈 여름 학교에서 하임 하라리에 의해 처음 소개되었다.^[2]^[3]

모든 세대의 중성미자는 우주 전체에 흐르지만 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는다.^[4]

3. 질량 계층

고차 세대의 각 구성원은 이전 세대의 해당 입자보다 더 큰 질량을 가지며, 중성미자의 경우는 예외일 수 있다(작지만 0이 아닌 질량이 정확하게 결정되지 않았음). 예를 들어, 제1세대 전자는 0.511MeV/c2의 질량을 가지며, 제2세대 뮤온은 106MeV/c2의 질량을 가지고, 제3세대 타우는 1777MeV/c2의 질량을 가진다(거의 양성자의 두 배). 이러한 질량 계층^[1]은 고차 세대의 입자가 제1세대로 붕괴되게 하며, 이것이 일상적인 물질(원자)이 제1세대의 입자로만 구성된 이유를 설명한다. 전자는 원자핵을 둘러싸고 있으며, 원자핵은 위 쿼크와 아래 쿼크를 포함하는 양성자와 중성자로 구성된다. 제2세대 및 제3세대의 전하를 띤 입자는 정상적인 물질에서는 발생하지 않으며, 우주선 또는 입자 가속기와 같은 극도로 높은 에너지 환경에서만 관찰된다. "세대"라는 용어는 1976년 레 우슈 여름 학교에서 하임 하라리에 의해 처음 소개되었다.^[2]^[3]

모든 세대의 중성미자는 우주 전체에 흐르지만 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는다.^[4] 렙톤 세대 간의 관계에 대한 포괄적인 이해가 궁극적으로 기본 입자의 질량 비율을 설명하고, 양자 관점에서 일반적으로 질량의 본질에 대한 추가적인 빛을 비추기를 바라고 있다.^[5]

4. 네 번째 세대

표준모형에서는 네 번째 세대의 존재가 이론적으로 배제되었다. 제4세대 가능성에 대한 논의는 전약 상호작용의 관측 결과를 미세하게 수정하여 여분의 세대를 도입할 여지가 있다는 생각에 기반하고 있지만, 관측 정밀도로 볼 때 그러한 수정이 맞을 가능성은 매우 낮다. 또한 "가벼운" 중성미자(질량이 약 45GeV/c² 이하)를 가진 제4세대는 CERN의 거대 전자-양전자 충돌기(LEP)에서의 Z 보손 에너지 폭 측정에 의해 배제되었다.^[20]

4. 1. 네 번째 세대 입자 탐색

현재까지 발견된 세대는 총 3세대이다. 표준모형은 입자의 세대 수를 예측하지 않으나, 일부 대통일이론은 새 세대의 존재를 예측한다. 우주론적인 관측 결과에 따르면, 4세대가 존재할 가능성은 희박하다. 새로운 세대가 존재한다면 이에 속하는 매우 가벼운 중성미자가 존재할 텐데, 이러한 입자의 수는 우주론적 관측 결과로 측정할 수 있다. 2013년 현재 가장 최신 데이터인 플랑크 위성의 우주 마이크로파 배경 측정 결과에 따르면, 중성미자의 유효 세대 수는 약

N_\text{eff}=3.30\pm0.27

이고, 이를 만족시키는, 네 번째 세대를 포함하는 모형을 고안하기 쉽지 않다.^[23]

많은 이론 물리학자들은 4세대 이후의 세대는 가능성이 낮다고 생각한다. 4세대의 가능성에 반대하는 몇 가지 주장은 추가 세대가 유발할 정밀한 전약력 관측값의 미묘한 수정에 근거한다. 이러한 수정은 측정에 의해 강력하게 기각된다. 새로운 쿼크를 도입하기 위해 용어를 일반화하는 데 사용되는 함수가 있으며, 이는 아이소스칼라이며 전약력 구역에서 트리 레벨에서 FCNC(Flavour-Changing-Neutral-Currents, 풍미 변화 중성 전류)를 생성하는 역할을 한다.^[6]^[7] 또한, '가벼운' 중성미자(질량이 약 45GeV/c2 미만인 중성미자)를 가진 4세대는 CERN의 대형 전자-양전자 충돌기 (LEP)에서 Z 보손의 붕괴 폭 측정을 통해 배제되었다.^[8]

그럼에도 불구하고, 4세대 입자를 찾기 위한 고에너지 충돌기에서의 탐색은 계속되고 있지만, 아직 증거가 관찰되지 않았다.^[9] 이러한 탐색에서, 4세대 입자는 세 번째 세대와 동일한 기호에 프라임 기호(예: ''b′'' 및 ''t′'')를 추가하여 표시된다.

4세대 입자의 질량 하한선과 관련된 실험 결과는 다음과 같다.

입자 종류	질량 하한선
4세대 쿼크 (b′, t′)	1.4TeV (LHC 실험)^[10]
4세대 중성미자 ('ν_τ'')	약 60GeV (다른 3개의 중성미자 질량에 대한 상한보다 수백만 배 더 크다)^[11]
4세대 전하 렙톤 ()	100GeV (유니타리티 고려 사항에서 1.2TeV의 상한선 제안)^[12]

만약 코이데 공식이 계속 유지된다면, 4세대 전하 렙톤의 질량은 44GeV (배제됨)이고, ''b′''와 ''t′''는 각각 3.6TeV와 84TeV여야 한다. (LHC에서 양성자의 최대 가능한 에너지는 약 6TeV이다.)

5. 기원

고차 세대의 각 구성원은 이전 세대의 해당 입자보다 더 큰 질량을 가지며, 중성미자의 경우는 예외일 수 있다(작지만 0이 아닌 질량이 정확하게 결정되지 않았음). 예를 들어, 제1세대 전자는 0.511MeV/c2의 질량을 가지며, 제2세대 뮤온은 106MeV/c2의 질량을 가지고, 제3세대 타우는 1777MeV/c2의 질량을 가진다(거의 양성자의 두 배). 이러한 질량 계층^[1]은 고차 세대의 입자가 제1세대로 붕괴되게 하며, 이것이 일상적인 물질(원자)이 제1세대의 입자로만 구성된 이유를 설명한다. 전자는 원자핵을 둘러싸고 있으며, 원자핵은 위 쿼크와 아래 쿼크를 포함하는 양성자와 중성자로 구성된다. 제2세대 및 제3세대의 전하를 띤 입자는 정상적인 물질에서는 발생하지 않으며, 우주선 또는 입자 가속기와 같은 극도로 높은 에너지 환경에서만 관찰된다. "세대"라는 용어는 1976년 레 우슈 여름 학교에서 하임 하라리에 의해 처음 소개되었다.^[2]^[3]

모든 세대의 중성미자는 우주 전체에 흐르지만 다른 물질과 거의 상호작용하지 않는다.^[4] 렙톤 세대 간의 관계에 대한 포괄적인 이해가 궁극적으로 기본 입자의 질량 비율을 설명하고, 양자 관점에서 일반적으로 질량의 본질에 대한 추가적인 빛을 비추기를 바라고 있다.^[5]

물리학에서 여러 세대의 페르미온이 존재하고, 특히 그 수가 '3'인 이유의 기원은 미해결 물리학 문제이다. 끈 이론은 여러 세대가 존재하는 이유를 제시하지만, 그 특정 수는 콤팩트화의 세부 사항, 특히 D-브레인 교차에 달려 있다. 또한 10차원에서의 E 대통일 이론이 특정 오비폴드로 4차원으로 콤팩트화되면 자연스럽게 3세대의 물질을 포함하게 된다.^[13] 여기에는 많은 이종 끈 이론 모델이 포함된다.

표준 양자장론에서, 특정 가정 하에 단일 페르미온 장은 및 와 같은 질량 비율을 가진 여러 페르미온 극점을 생성할 수 있으며, 이는 연속적인 세대 간의 페르미온 질량의 큰 비율과 그 기원을 설명할 수 있다.

정확히 세 개의 세대가 올바른 구조를 갖는다는 것은 최소한 잠정적으로 중력과의 연결을 통해 근본 원리에서 도출되었다.^[14] 그 결과는 게이지 힘의 SU(5)로의 통일을 의미한다. 질량에 대한 문제는 해결되지 않았지만, 이는 이론의 힉스 섹터와 관련된 논리적으로 별개의 문제이다.

참조

_[1] 논문 Family structure from periodic solutions of an improved gap equation
_[2] 간행물 Beyond charm http://www.slac.stan[...] North-Holland 1976-07-05
_[3] 간행물 Three generations of quarks and leptons http://slac.stanford[...]
_[4] 간행물 Experiment confirms famous physics model http://web.mit.edu/n[...] Massachusetts Institute of Technology 2007-04-18
_[5] arXiv A 'muon mass tree' with α‑quantized lepton, quark, and hadron masses
_[6] 논문 Decays of the Heavy Top and New Insights on ΕK in a One-VLQ Minimal Solution to the CKM Unitarity Problem 2022-04
_[7] 웹사이트 Chasing new physics with electroweak penguins https://cerncourier.[...] 2024-12-17
_[8] 논문 Determination of the number of light neutrino species https://cds.cern.ch/[...]
_[9] 논문 b′ (4th Generation) Quarks, searches for http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[10] 뉴스 Boosting searches for fourth-generation quarks https://cerncourier.[...] 2019-05-08
_[11] 논문 Revisiting constraints on fourth generation neutrino masses 2010-12
_[12] 논문 Large mass splittings for fourth generation fermions allowed by LHC Higgs boson exclusion
_[13] 웹사이트 The "pure joy" {{math|E{{sub|8}}}} SUSY toroidal orbifold TOE https://motls.blogsp[...] 2021-08-23
_[14] 논문 Cosmotopological relation for a unified field theory 2007-12-28
_[15] 논문 CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction https://doi.org/10.1[...] The Yukawa Institute for Theoretical Physics and the Physical Society of Japan 2023-12-07
_[16] 논문 Unity of all elementary-particle forces https://doi.org/10.1[...] APS
_[17] 논문 Lepton issue as the fourth" color" https://doi.org/10.1[...] APS
_[18] 간행물 Experiment confirms famous physics model http://web.mit.edu/n[...] Massachusetts Institute of Technology 2007-04-18
_[19] arXiv A 'Muon Mass Tree' with α-quantized Lepton, Quark, and Hadron Masses
_[20] 논문 Determination of the number of light neutrino species
_[21] 논문 Review of Particle Physics: b′ (4th Generation) Quarks, Searches for http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[22] 논문 Review of Particle Physics: t′ (4th Generation) Quarks, Searches for http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[23] 논문 New Light Species and the CMB 2013-03

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