앞선입자
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1. 개요
앞선입자는 입자물리학의 표준 모형에서 기본 입자로 여겨지는 쿼크와 렙톤이 더 작은 구성 입자인 '프레온'으로 이루어져 있다는 가설을 의미한다. 1970년대 표준 모형 개발 이전, 물리학자들은 입자 가속기에서 관찰된 수많은 입자를 설명하기 위해 프리온 이론을 발전시켰다. 하라리와 슈페의 리숀 모델, 듀네-프레드릭손-한손의 삼위일체 모형 등이 주요 모델로 제시되었다. 프리온 모델은 쿼크와 렙톤의 양자수를 설명하고 표준 모형의 문제점을 해결하려는 목표를 가지지만, 프레온의 결합 방식, 초색깔의 성질, 관측되지 않는 입자 문제, 불확정성 원리, 힉스 보손과의 상충 등 한계와 비판에 직면해 있다. 대중 문화에서는 E. E. 스미스의 소설, 스타 트렉, 제임스 P. 호건의 소설 등에서 프리온과 유사한 개념이 등장한다.
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| 앞선입자 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| 종류 | 가설 입자 |
| 구성 | 쿼크, 렙톤 |
| 상호작용 | 강력, 약력, 전자기력, 중력 (가설) |
| 통일장 이론 | 대통일 이론 |
| 관련 개념 | 기본 입자, 조합론 |
| 이론적 배경 | |
| 제안 | 1974년, 조게시 파트와 압두스 살람 |
| 초기 모델 | 하라리-슈왑 모델 |
| 주요 제안자 | 제프리 추, 히데지 키타, 앙드레 페트레스쿠, 이온-오크타비안 피카, 미르체아 온체스크, 압두스 살람, 조게시 파트 |
| 실험적 증거 부족 | |
| 현재 상태 | 실험적으로 관측되지 않음. |
| 탐색 노력 | 고에너지 입자 가속기를 통한 탐색 지속 |
| 문제점 및 비판 | |
| 질량 문제 | 쿼크와 렙톤의 질량 차이 설명의 어려움. |
| 복잡성 증가 | 기본 입자의 종류를 더 늘리는 문제. |
| 실험적 검증의 어려움 | 현재 기술로는 실험적 검증이 매우 어려움. |
2. 역사
1970년대에 표준 모형이 개발되기 전, 물리학자들은 입자 가속기에서 수백 가지의 서로 다른 종류의 입자를 관찰했다. 이들은 주로 물리적 특성에 따라 관계를 이루며 정리되었는데, 이는 생물 분류학이 동물을 물리적 특징에 따라 그룹화하는 방식과 크게 다르지 않았다. 당시, 엄청난 수의 입자는 "입자 동물원"이라고 불렸다.
하라리와 슈페(Shupe)가 1979년 제창한 모델은 프레온 모델 중에서 가장 널리 알려져 있다. 이들은 두 개의 페르미온을 상정했는데, 이들은 모두 색깔 그룹인 SU(3)의 3을 이룬다.
표준 모형은 1970년대에 발전했다. 물리학자들은 입자 가속기 실험을 통해 수백 가지 서로 다른 종류의 입자를 관측했으며, 이러한 입자들은 그 물리적 성질을 바탕으로 계층 구조로 정리되었다. 이 상황은 동물을 그 특징에 따라 그룹으로 나누는 분류학에 비유하여 "입자 동물원"이라고 불렸다.
현재 소립자 물리학에서 지배적인 모델인 표준 모형은 관측된 입자의 대부분이 복합 입자임을 보여줌으로써 입자의 분류를 극적으로 단순화했다. 즉, 이 때 관측된 입자는 2개의 쿼크(반쿼크 포함)의 조합인 메손, 3개의 쿼크의 조합인 바리온, 그리고 소수의 다른 입자들이었다. 지금까지 가속기에 의해 관측된 입자는 예외 없이 이 이론에 따라 쿼크 혹은 반쿼크의 조합으로 만들어졌다.
표준 모형 내에는 다양한 종류의 입자가 존재한다. 그 주요 구성 요소는 쿼크 및 렙톤이다. 쿼크 모델은 머레이 겔만 및 조지 츠바이크에 의해 1964년에 제안되었다.
프레온 이론은 주기율표, 그리고 더 최근의 "입자 동물원"을 길들인 표준 모형이 많은 현상을 설명하는 데 성공해 왔듯이, 보다 근본적인 입자의 주기율표를 발견함으로써 이 성과를 재현하려는 열망에 의해 동기 부여되고 있다.
프레온 이론은, 이론 및 실험 소립자 물리학에서 얻어진 결과에 대해 "더 근본적인 설명"을 제공하려는 시도로 제안되어 온 몇몇 모델 중 하나이다. 프레온 모델은 오늘날 소립자 물리학 커뮤니티 사이에서 비교적 소수의 관심을 끌고 있다.
수많은 물리학자들이 "pre-quark"(프리온의 어원, pre-는 "전(前)"을, -on은 "기본 입자"를 의미) 이론을 발전시켜왔다. 그들은 실험 데이터만으로 알려진 표준 모형의 많은 부분을 이론적으로 정당화하려는 노력을 기울였다.
쿼크의 부분 구조를 개발하려는 시도는 적어도 1974년 Pati와 Salam의 ''피지컬 리뷰'' 논문[21]까지 거슬러 올라간다.
3. 주요 모델
1990년대 말 이후 듀네(Dugne), 프레드릭손(Fredriksson), 한손(Hansson) 등이 연구하고 있는 3개의 프레온 모델은 삼위일체(trinity) 모형이라고도 불린다. (자세한 내용은 듀네-프레드릭손-한손 모델 참고)
리숀 모형은 하임 하라리와 마이클 A. 슈페가 1979년에 서로 독립적으로 제안한 또 다른 모델이다. (자세한 내용은 리숀 모델 참고)
그 외에도 여러 물리학자들이 피지컬 리뷰에 실린 1974년 파티와 살람의 논문을 시작으로 다양한 프레온 모델을 제시하였다. (자세한 내용은 기타 모델 참고)
3. 1. 리숀 모델
하임 하라리와 마이클 A. 슈페가 1979년에 서로 독립적으로 제안하고, 이후 하라리와 그의 제자였던 네이선 시버그가 확장한 모형이다.[18] 입자물리학의 표준 모형에서 나타나는 현상을 설명하기 위해 개발된 가장 초기의 프리온 모형 중 하나이다.
이 모형에는 두 종류의 기본 입자가 있는데, 이를 '''리숀'''(ראשונים, 히브리어로 "첫 번째"라는 뜻)이라고 한다. 이것들은 '''T''' ("셋째"라는 뜻으로 전하가 ⅓ ''e''이므로, 또는 혼돈을 뜻하는 토후 (תוהו)) 와 '''V''' ("사라짐"이라는 뜻으로 전하가 중성이므로, 또는 보이드(Vohu)는 "공허"를 뜻함)이다. 모든 렙톤과 모든 맛깔의 쿼크는 세 개의 리숀으로 정렬된 삼중항이다. 이 세 개의 리숀 그룹은 스핀-½을 가진다.
리숀 모형은 우주에서 물질과 반물질의 겉보기 불균형이 사실은 환상이며, 더 복잡한 구조 내에 다량의 프리온 수준의 반물질이 갇혀 있다고 가정한다.
3. 2. 듀네-프레드릭손-한손 모델 (삼위일체 모형)
1990년대 말부터 연구된 모델로, 세 개의 프레온(α, β, δ)을 가정한다. 이들은 표준 모형의 SU(3) 색깔 그룹의 3을 이루며, 스핀 1/2인 페르미온이다. SU(3)에서는 두 개의 3이 반대칭 텐서결합하면 3*이 되므로, 색깔에 대해서는 반 앞선입자와 같으나, 전기 전하는 두 앞선입자의 합이며, 스핀은 0이 된다.
3. 3. 기타 모델
피지컬 리뷰에 실린 1974년 파티와 살람의 논문을 시작으로, 수많은 물리학자들은 표준 모형을 이론적으로 설명하고자 앞선입자(프리온) 이론을 개발하려 했다.[1] 이 기본 입자(혹은 기본 입자와 표준 모형 입자 사이의 중간 입자)에는 '프리쿼크', '서브쿼크', '마온', '알폰', '퀑크', '리숀', '트위들', '헬론', '해플론', 'Y-입자', '프리몬' 등 다양한 이름이 제안되었으나, '프리온'이 가장 널리 사용된다.[1]
이러한 시도에는 테라자와, 치카시게, 아카마의 1977년 논문,[1] 1979년 네에만, 하라리, 슈페의 논문,[1] 1981년 프리츠슈와 만델바움의 논문,[1] 1992년 D'수자와 칼만의 저서 등이 포함되지만, 물리학계에서 널리 받아들여지지는 않았다.[1] 그러나 최근 연구에서 D'수자는 자신의 모형이 복합성 모형에서 파생된 양자수에 의해 결정되는 선택 규칙에 따라 모든 하드론의 약한 붕괴를 잘 설명한다는 것을 보여주었다.[1] D'수자의 모형에서 렙톤은 기본 입자이고 각 쿼크는 두 개의 '프리몬'으로 구성되며, 따라서 모든 쿼크는 네 개의 '프리몬'으로 설명된다.[1] 따라서 표준 모형의 힉스 보존은 필요하지 않으며, 각 쿼크 질량은 세 개의 힉스 유사 보존을 통해 각 '프리몬' 쌍 간의 상호 작용에서 파생된다.[1]
한스 게오르크 데멜트는 1989년 노벨상 수상 강연에서 정의 가능한 속성을 가진 가장 기본적인 기본 입자를 '코스몬'이라 불렀는데, 이는 점차 더 기본적인 입자들의 길지만 유한한 사슬의 가능한 결과이다.[1]
4. 프레온 모델의 목표와 특징
프레온 모델은 표준 모형에서 기본 입자의 수가 너무 많다는 문제점을 해결하기 위해 제안되었다. 표준 모형에서는 쿼크와 렙톤이 45개나 되지만, 프레온 모델에서는 이들을 더 적은 수(모델에 따라 2~6개)의 프레온으로 설명한다.
프레온 모델은 다음과 같은 목표를 가지고 있다.
- 더 적은 수의 기본 입자로 더 많은 입자를 설명한다. 예를 들어, 다운 쿼크와 업 쿼크는 전하만 다르고 질량 차이가 약간 있는데, 프레온 모델은 이들이 유사한 프레온으로 구성되어 전하 차이를 설명한다고 가정한다. 이는 주기율표와 중간자 및 중입자의 쿼크 모형에서 성공했던 환원주의 전략을 재현하고자 하는 것이다.
- 페르미온이 정확히 3세대인 이유를 설명한다.
- 표준 모형에서 설명되지 않는 질량, 전하, 색전하 등의 매개변수를 계산하고, 실험적 입력 매개변수의 수를 줄인다.
- 전자 중성미자부터 톱 쿼크까지 기본 입자의 질량-에너지 범위가 매우 넓은 이유를 설명한다.
- 힉스 장 없이 전약력 대칭성 깨짐을 설명한다. (힉스 장은 초대칭성을 필요로 할 수 있으며, 초대칭성 이론은 자체적인 문제를 가지고 있다.)
- 중성미자 진동과 고유 질량 메커니즘을 설명한다.
- 암흑 물질 후보를 제시하는 등 새롭고 반복되지 않는 예측을 한다.
- 관찰된 종류의 입자만 존재하는 이유를 설명하고, 관찰되지 않은 입자를 예측하지 않는 모델을 제시한다.
프레온 모델은 쿼크와 렙톤의 양자수를 설명해야 한다. 양자수에는 전하(색깔, 전기 전하 등), 스핀, 질량 등이 있다. 예를 들어, 산소 원자의 스핀은 0이고, 세슘 원자의 스핀은 1인데, 이는 구성 입자인 양성자(스핀 1/2)와 중성자(스핀 1/2)의 스핀 조합으로 결정된다.
또한, 프레온 모델은 다음을 설명해야 한다.
- 쿼크와 렙톤의 3세대: 프레온 조합은 한정되어 있어 유한한 개수의 반복된 쿼크와 렙톤을 얻을 수 있지만, 많은 경우 더 많은 불규칙한 세대를 예측하기도 한다.
- 약한 상호작용을 매개하는 W와 Z보존: 이들은 프레온 조합으로 설명되며, 약한 상호작용은 SU(2) 군에 기반한 게이지 힘일 필요가 없다.
- 힉스 입자는 존재할 필요가 없다.
프레온 이론은 화학의 주기율표가 94개의 원소를 양성자, 중성자, 전자의 조합으로 설명하고, 표준 모형이 수십 개의 입자를 쿼크 조합으로 설명한 것처럼, 입자 물리학에서 더 근본적인 입자의 주기율표를 발견하려는 시도이다.
5. 프레온 이론의 한계와 비판
프레온 이론은 여러 가지 문제점과 비판에 직면해 있다.
- 결합 방식: 기본 프레온들이 어떻게 결합하는지, 이들을 묶는 초색깔(hypercolor)의 성질이 무엇인지 명확하지 않다.
- 입자 예측: 프레온 조합은 쿼크와 렙톤의 양자수를 잘 나타내지만, 다른 입자들도 예측한다. 왜 특정 결합체만 관측되고 나머지는 관측되지 않는지 설명이 필요하다.[28]
- 불확정성 원리와 질량 문제: 쿼크와 렙톤은 가벼우면서도 작아야 하는데, 불확정성 원리에 따르면 작게 만들기 어렵다.[28] 이들에게 어떻게 질량을 부여하는지도 문제이다.
- 동역학: 프레온이 어떤 동역학(dynamics)을 갖는지 불분명하다.
- 단순성: 프레온이 표준 모형보다 더 간단한지에 대한 의문이 제기된다.
칼만(Kalman)은 원자론에 따라 자연의 근본 구성 요소는 생성, 파괴될 수 없는 분할 불가능한 물질이어야 한다고 주장한다.[4] 그러나 렙톤과 쿼크는 붕괴 가능하므로, 이들은 다른 근본적인 양인 프레온으로 구성되어야 한다는 것이다. de Souza(2010)는 대부분의 입자의 정지 질량 예측을 정확하게 할 수 없다고 하였다.[5]
표준 모형 역시 우주의 대규모 구조 예측에 어려움을 겪는다. 예를 들어 물질과 반물질의 양이 같다고 예측하지만 실제로는 그렇지 않다. 양성자 붕괴 역시 아직 관측되지 않았다.
1994년 페르미 국립 가속기 연구소의 한 선행입자 모형 연구에서는 200 GeV 이상의 에너지에서 예상보다 많은 제트가 검출되었다. 그러나 산란 실험 결과 쿼크와 렙톤은 10-18 m 미만 거리에서 "점"과 같았다. 이 크기에 갇힌 선행입자의 운동량 불확정성은 약 200 GeV/c로, 이는 쿼크나 전자의 정지 질량보다 훨씬 크다.
하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면, 작은 상자에 갇힐수록 운동량 불확정성이 커진다. 따라서 선행입자 모형은 입자 자체보다 더 큰 운동량 불확정성을 가져야 하는 질량 역설을 가진다. 이 역설은 선행입자 간의 큰 결합력으로 질량-에너지를 상쇄하는 방식으로 해결될 수 있다.
앞선입자 모형은 관측되지 않은 추가적인 힘이나 역학을 제안하여 관측된 입자의 특성을 설명하려 하지만, 이는 관측과 상충될 수 있다. 예를 들어 LHC에서 힉스 보손이 관측되면서, 힉스 보손을 배제했던 많은 앞선입자 모형의 예측과 충돌하게 되었다.
앞선입자 이론은 쿼크와 렙톤이 유한한 크기를 가져야 한다고 주장하며, LHC의 에너지 업그레이드를 통해 이를 관측할 수 있을 것으로 기대된다.
모든 프리온 이론 후보는 입자의 카이랄리티와 토프트의 제한에 대해 다루어야 한다. 그 결과 프리온 모델은 이상적으로는 표준 모형보다 단순한 이론적 구조를 갖게 될 것이다.
6. 대중 문화 속 프레온
- E. E. 스미스는 1930년 소설 ''스카이락 3''의 1948년 재판/편집본에서 중력과 관련된 기본 입자인 '제2형의 하위 전자'를 가정했다.[1] 이는 전자가 기본 입자가 아닐 가능성에 대한 초기 언급 중 하나일 수 있다.[7]
- 본다 맥킨타이어가 쓴 1982년 영화 ''스타 트렉 2: 칸의 분노''의 소설판에서, 캐롤 마커스 박사의 제네시스 프로젝트 팀원 반스 매디슨과 델윈 마치는 "부줌"과 "스나크"라는 하위 기본 입자를 연구했다.[2]
- 제임스 P. 호건의 1982년 소설 ''어제로부터의 항해''는 플롯의 핵심 물리학인 프리온(''트위들''이라고 불림)을 다루었다.[3]
- 2018년 VR 비디오 게임 ''블레이드 앤 소서리''에서, 프리온 별은 게임 세계 마법의 동력원으로, 10,000년의 근접 궤도 통과는 플롯의 주요 동인이다.[4]
- 2020년 비디오 게임 ''리스크 오브 레인 2''에는 '프리온 축전기'라는 아이템이 등장한다.[5]
참조
[1]
서적
Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects
World Scientific
[2]
논문
Electron Scattering and Nuclear Structure
1956-07-01
[3]
논문
Electromagnetic Structure of the Proton and Neutron
http://www.physics.p[...]
1958-04-01
[4]
논문
Why quarks cannot be fundamental particles
[5]
논문
Calculation of almost all energy levels of baryons
http://www.papersinp[...]
[6]
뉴스
China pursues major role in particle physics
https://www.nytimes.[...]
2011-09-12
[7]
논문
Equilibrium configurations of tripolar charges
[8]
논문
The ultimate division of matter
[9]
논문
Lepton number as the fourth "color"
http://pdfs.semantic[...]
[10]
논문
Unified model of the Nambu-Jona-Lasinio type for all elementary particles
[11]
논문
Irreducible gauge theory of a consolidated Weinberg-Salam model
https://www.osti.gov[...]
[12]
논문
A schematic model of quarks and leptons
http://www.slac.stan[...]
[13]
논문
A composite model of leptons and quarks
[14]
논문
Weak interactions as manifestations of the substructure of leptons and quarks
[15]
논문
Weak decays of hadrons reveal compositeness of quarks
[16]
웹사이트
Experiments with an isolated subatomic particle at rest
https://www.nobelpri[...]
The Nobel Foundation
[17]
arxiv
Higgs pain? Take a preon!
[18]
논문
The Rishon model
http://www.weizmann.[...]
North-Holland Publishing
2018-06-02
[19]
서적
Preons: models of leptons, quarks and gauge bosons as composite objects
https://books.google[...]
World Scientifice
[20]
논문
Equilibrium Configurations of Tripolar Charges
[21]
논문
Lepton number as the fourth "color"
http://link.aps.org/[...]
[22]
논문
Unified model of the Nambu-Jona-Lasinio type for all elementary particles
[23]
논문
Irreducible gauge theory of a consolidated Weinberg-Salam model
[24]
논문
A schematic model of quarks and leptons
http://www.slac.stan[...]
[25]
논문
A composite model of leptons and quarks
[26]
논문
Weak interactions as manifestations of the substructure of leptons and quarks
[27]
arxiv
Higgs pain? Take a preon!
[28]
문서
The Trouble with Physics
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