아원자 입자
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1. 개요
아원자 입자는 더 작은 입자로 구성되지 않는 소립자 또는 소립자들로 구성된 복합 입자를 의미한다. 소립자물리학과 핵물리학은 이러한 입자들과 상호작용을 연구하며, 표준 모형은 쿼크, 렙톤, 게이지 입자, 힉스 입자를 소립자로 분류한다. 복합 아원자 입자로는 양성자, 원자핵 등이 있으며, 현재까지 수백 개의 아원자 입자가 알려져 있다. 아원자 입자는 스핀과 질량에 따라 보손과 페르미온으로 분류되며, 붕괴 및 전하 등의 특성을 갖는다. 아원자 입자 연구는 우주의 근본 원리를 탐구하고 새로운 지식과 기술을 창출하는 핵심 분야로, 한국에서도 다양한 연구기관에서 활발하게 진행되고 있다.
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| 아원자 입자 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 원자보다 작은 입자 |
| 참고 | 입자는 파동과 같은 성질을 가질 수 있음 (파동-입자 이중성) |
| 설명 | |
| 구성 | 전자: 원자핵 주위를 돎 양성자, 중성자: 원자핵을 구성 (핵자) |
| 분류 | 기본 입자: 더 작은 입자로 쪼갤 수 없음 (쿼크, 렙톤, 게이지 보손) 복합 입자: 기본 입자의 조합 (양성자, 중성자) |
| 특징 | |
| 파동-입자 이중성 | 입자와 파동의 성질을 동시에 가짐 |
| 예시 | C60 분자의 파동-입자 이중성 실험 (Nature 참고) |
2. 분류
아원자 입자는 구성, 통계, 질량, 붕괴 등 다양한 기준으로 분류할 수 있다.
- 구성 요소별: 소립자(기본 입자)와 복합 입자로 나뉜다.
- 통계별: 보손(정수 스핀) 또는 페르미온(반정수 스핀)으로 나뉜다.[39]
- 질량별: 바리온(무거운 입자) > 중간자(중간 질량의 입자) > 렙톤(가벼운 입자) 순으로 질량이 크다. 단, 가장 무거운 렙톤(타우 입자)은 가장 가벼운 두 종류의 바리온(핵자)보다 무겁다. 전하를 가진 모든 입자는 질량이 있다.[39] 불변 질량이 0인 질량 없는 입자에는 광자와 글루온이 있으며, 이들은 모두 기본 입자이지만, 글루온은 단독으로 관측될 수 없다.
- 붕괴별: 대부분의 아원자 입자는 불안정하며, 강한 상호작용 또는 약한 상호작용에 의해 붕괴한다. 양성자는 예외적으로 붕괴되지 않는 것으로 알려져 있으나, 일부 대통일 이론(GUT)에서는 양성자 붕괴를 예측하기도 한다. 전자와 양전자는 전하 보존 법칙에 의해 이론적으로 안정적이다.[39]
2. 1. 구성 요소별
아원자 입자는 더 이상 작은 입자로 구성되지 않는 소립자(기본 입자)와 더 작은 요소로 구성되는 복합 입자로 나뉜다.[39] 소립자물리학 및 핵물리학은 이러한 입자와 그 상호작용을 연구한다.표준 모형에서 소립자는 다음과 같다:[40]
- 쿼크: 업, 다운, 바텀, 탑, 스트레인지, 참
- 렙톤: 전자, 전자 중성미자, 뮤온, 뮤온 중성미자, 타우, 타우 중성미자
- 게이지 보손: 전자기력의 광자, 약력의 세 개의 W 보손과 Z 보손, 강력의 여덟 개의 글루온
- 힉스 보손
복합 입자는 둘 이상의 소립자가 결합된 상태이다. 예를 들어 양성자는 업 쿼크 두 개와 다운 쿼크 한 개로 구성되며, 헬륨-4의 원자핵은 양성자 두 개와 중성자 두 개로 구성된다.
2. 1. 1. 기본 입자
표준 모형에 따르면, 기본 입자는 다음과 같다.[8]- 6가지 종류의 쿼크: 업, 다운, 스트레인지, 참, 바텀, 탑
- 6가지 종류의 렙톤: 전자, 전자 중성미자, 뮤온, 뮤온 중성미자, 타우, 타우 중성미자
- 12가지 게이지 보손(힘 매개 입자): 전자기력의 광자, 약력의 세 가지 W 보손과 Z 보손, 그리고 강한 상호작용의 여덟 가지 글루온
- 힉스 보손
이들은 모두 실험을 통해 발견되었으며, 가장 최근에 발견된 입자는 탑 쿼크(1995년), 타우 중성미자(2000년), 그리고 힉스 보손(2012년)이다.
표준 모형의 확장 이론들은 기본적인 그라비톤 입자와 다른 많은 기본 입자들의 존재를 예측하지만, 2021년 현재까지는 발견되지 않았다.
2. 1. 2. 복합 입자
복합 입자는 둘 이상의 기본 입자가 결합하여 만들어진 입자이다. 예를 들어, 양성자는 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크로 구성되어 있으며, 헬륨-4의 원자핵은 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성된다.거의 모든 복합 입자는 여러 개의 쿼크(및/또는 반쿼크)를 포함하며, 글루온에 의해 결합되어 있다. (양전자나 뮤온과 같이 쿼크가 없는 예외도 존재한다.) 쿼크(반쿼크 포함)를 몇 개(≤ 5개) 포함하는 입자를 하드론이라고 한다. 색 가둠이라는 성질 때문에 쿼크는 단독으로 발견되지 않고 항상 여러 개의 쿼크를 포함하는 하드론으로 존재한다.
하드론은 쿼크의 수(반쿼크 포함)에 따라 다음과 같이 나뉜다.
- 바리온: 홀수 개의 쿼크(거의 항상 3개)를 포함한다. 양성자와 중성자(핵자)가 가장 잘 알려져 있다.
- 메손: 짝수 개의 쿼크(거의 항상 2개, 쿼크 하나와 반쿼크 하나)를 포함한다. 파이온과 카온이 가장 잘 알려져 있다.
양성자와 중성자를 제외한 모든 하드론은 불안정하며, 마이크로초 이내에 다른 입자로 붕괴된다. 양성자는 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크로, 중성자는 두 개의 다운 쿼크와 한 개의 업 쿼크로 이루어져 있다. 이들은 일반적으로 원자핵에 결합하는데, 예를 들어 헬륨-4 핵은 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성되어 있다. 대부분의 하드론은 핵과 같은 복합체에 결합할 만큼 오래 살아남지 못하며, 양성자와 중성자를 제외하고 그렇게 하는 하드론은 특이 핵을 형성한다.
복합 아원자 입자에는 바리온(양성자나 중성자 등) 및 메손(파이온이나 K 중간자 등)을 포함하는 하드론이 있다. 현재까지 수백 개의 아원자 입자가 알려져 있으며, 대부분은 우주선이 물질과 상호 작용한 결과 또는 입자가속기 내의 산란 과정에 의해 생성된다.
2. 2. 통계별
양자역학 법칙을 따르는 삼차원 공간의 모든 아원자 입자는 보손(정수 스핀) 또는 페르미온(반정수 스핀)일 수 있다.[39]표준 모형에서 모든 기본 페르미온은 스핀 1/2이며, 색전하를 띠고 따라서 강한 상호작용을 느끼는 쿼크와 그렇지 않은 렙톤으로 나뉜다. 기본 보손은 스핀 1인 게이지 보손(광자, W와 Z 보손, 글루온)을 포함하며, 힉스 보손은 스핀 0인 유일한 기본 입자이다.
가설적인 중력자는 이론적으로 스핀 2를 가져야 하지만 표준 모형의 일부는 아니다. 초대칭성과 같은 일부 확장은 스핀 3/2를 가진 추가적인 기본 입자를 예측하지만, 2023년 현재까지 발견된 것은 없다.
복합 입자의 스핀 법칙에 따라, 바리온(3개의 쿼크)은 스핀이 1/2 또는 3/2이고 따라서 페르미온이며, 중간자(2개의 쿼크)은 스핀이 0 또는 1인 정수이고 따라서 보손이다.[40]
2. 3. 질량별
특수 상대성 이론의 질량-에너지 등가 원리( ''E'' = ''mc''2)에 따라, 정지 질량을 가진 입자는 에너지로 표현될 수 있다. 복합 입자는 모두 질량을 가지며, 일반적으로 바리온(뜻: 무거운) > 중간자(뜻: 중간의) > 렙톤(뜻: 가벼운) 순으로 질량이 크다. 하지만, 가장 무거운 렙톤(타우 입자)은 가장 가벼운 두 종류의 바리온(핵자)보다 무겁다. 전하를 가진 모든 입자는 질량이 있다.[39]불변 질량이 0인 질량 없는 입자에는 광자와 글루온이 있으며, 모두 기본 입자이지만, 글루온은 단독으로 관측될 수 없다.
2. 4. 붕괴별
대부분의 아원자 입자는 불안정하며, 강한 상호작용 또는 약한 상호작용에 의해 붕괴한다. 모든 렙톤과 바리온은 이 힘들에 의해 붕괴하지만, 양성자는 예외적으로 붕괴되지 않는 것으로 알려져 있다. 그러나 일부 대통일 이론(GUT)에서는 양성자 붕괴를 예측하기도 한다. 뮤온과 타우 중간자, 그리고 그 반입자들은 약력에 의해 붕괴한다. 중성미자(와 반중성미자)는 붕괴되지 않지만, 진공에서 중성미자 진동 현상이 나타나는 것으로 알려져 있다. 전자와 양전자는 전하 보존 법칙에 의해 이론적으로 안정적이다. 이는 기본 전하 ''e''보다 작거나 같은 전하량을 가진 더 가벼운 입자가 존재하지 않기 때문이다.[39]3. 기타 성질
관측 가능한 모든 아원자 입자는 기본 전하의 정수배에 해당하는 전하를 갖는다. 표준 모형의 쿼크는 ⅓ ''e''의 배수에 해당하는 "비정수" 전하를 갖지만, 색 가둠으로 인해 쿼크나 비정수 전하를 갖는 다른 조합은 분리될 수 없다.[10] 바리온, 중간자 및 그 반입자의 경우, 구성 쿼크의 전하는 ''e''의 정수배로 합산된다.
알베르트 아인슈타인, 사티엔드라 나트 보스, 루이 드 브로이 등의 연구를 통해, 현재 과학 이론은 모든 입자가 파동의 성질을 갖는다고 주장한다.[10] 이는 아원자 입자뿐만 아니라 원자, 심지어 분자와 같은 복합 입자에 대해서도 검증되었다. 비상대론적 양자 역학의 전통적인 공식에 따르면, 파동-입자 이중성은 거시적인 물체에도 적용되지만, 거시적인 물체의 파동 특성은 파장이 너무 작아서 감지할 수 없다.[11]
입자 간의 상호 작용은 수 세기 동안 면밀히 조사되어 왔으며, 몇 가지 간단한 법칙이 입자가 충돌 및 상호 작용에서 어떻게 작용하는지를 뒷받침한다. 이 중 가장 기본적인 것은 에너지 보존 법칙과 운동량 보존 법칙이며, 이를 통해 별에서 쿼크에 이르기까지 다양한 규모의 입자 상호 작용을 계산할 수 있다.[12] 이것들은 뉴턴 역학의 기본 전제 조건이며, 1687년에 처음 출판된 ''자연철학의 수학적 원리''의 일련의 명제와 방정식이다.
4. 역사
"아원자 입자"라는 용어는 1960년대에 주로 사용되기 시작한 역어(retronym)로, 많은 수의 바리온과 메손(이는 하드론을 구성한다)을 현재 진정한 기본 입자로 여겨지는 입자들과 구분하기 위해 사용되었다.[14] 그 이전에는 하드론의 구성이 알려지지 않았기 때문에 일반적으로 "기본적인" 것으로 분류되었다.
다음은 중요한 발견 목록이다.
| 입자 | 구성 | 이론 제시 | 발견 | 설명 |
|---|---|---|---|---|
| 전자 | 기본 (렙톤) | 조지프 존스톤 스토니 (1874)[14] | J. J. 톰슨 (1897)[15] | 전하의 최소 단위. 스토니는 1891년에 이것에 대한 명칭을 제안했다.[16] 최초로 확인된 아원자 입자.[17] |
| 알파 입자 | 복합 (원자핵) | 어니스트 러더퍼드 (1899)[18] | 1907년 러더퍼드와 토마스 로이드에 의해 헬륨 원자핵임이 증명되었다. 러더퍼드는 이 발견으로 1908년 노벨 화학상을 수상했다.[19] | |
| 광자 | 기본 (양자) | 막스 플랑크 (1900)[20] | 알베르트 아인슈타인 (1905)[21] | 열역학에서 흑체 복사 문제를 해결하는 데 필요했다. |
| 양성자 | 복합 (바리온) | 윌리엄 프라우트 (1815)[22] | 어니스트 러더퍼드 (1919, 명명 1920)[23] | 수소의 원자핵. |
| 중성자 | 복합 (바리온) | 어니스트 러더퍼드 (1920)[24] | 제임스 채드윅 (1932) [25] | 두 번째 핵자. |
| 반입자들 | 폴 디랙 (1928)[26] | 칼 데이비드 앤더슨 ( 양전자, 1932) | 개정된 설명은 CPT 대칭성을 사용한다. | |
| 파이온들 | 복합 (메손들) | 유가와 히데키 (1935) | 세자르 라테스, 주세페 오키알리니, 세실 파월 (1947) | 핵자 사이의 핵력을 설명한다. 최초로 발견된 메손(현대적 정의에 따름). |
| 뮤온 | 기본 (렙톤) | 칼 데이비드 앤더슨 (1936)[27] | 처음에는 "메손"이라고 불렸으나, 오늘날에는 렙톤으로 분류된다. | |
| 카온들 | 복합 (메손) | G. D. 로체스터, C. C. 버틀러 (1947)[28] | 우주선에서 발견되었다. 최초의 기묘 입자. | |
| 람다 중입자들 | 복합 (바리온) | 멜버른 대학교 ( , 1950)[29] | 최초로 발견된 하이페론. | |
| 중성미자 | 기본 (렙톤) | 볼프강 파울리 (1930), 엔리코 페르미가 명명 | 클라이드 코완, 프레드릭 라인스 ( , 1956) | 베타 붕괴의 에너지 스펙트럼 문제를 해결했다. |
| 쿼크들 (, , ) | 기본 | 머레이 겔만, 조지 자이크 (1964) | } | . 쿼크 모형에 대한 특정한 확인 사건은 없다.|