입자물리학 정의
입자물리학은 자연의 기본적인 입자인 물질과 방사선에 대해 연구하는 물리학의 한 분야이다. 현재의 해석으론 입자는 각각의 양자장을 갖고 있고 이들은 역학에 따라 서로 상호작용을 한다이다. 비록 입자라는 단어는 많은 물체를 말할 수 있지만 입자물리학은 우주의 기본 입자에 집중해서 연구를 한다. 이는 우리가 입자를 관찰하는 것을 설명하고 정의하기 위해 필요하다. 그리고 다른 중요 분야들과는 조합적으로 설명을 할 수 없는 분야 중 하나이다. 기본 장과 역학의 현재 설정들은 표준 모형이라는 이론으로 요약이 가능하지만 입자물리학의 경우 표준 모형으로 구성되는 입자연구와 그것이 가능한 확장 연구로 나누어 진다.
입자물리학 원자의 구성 입자
현대의 입자물리학 분야의 연구는 전자와 중성자, 양성자와 같은 아원자 입자 연구와 함께 광자, 뮤온, 중성미자 뿐만 아니라 넓은 의미의 이질적 입자의 방사성 감쇠와 산란에 대한 연구를 하고 있다.
입자라는 용어가 입자물리학이 양자역학에 포함이 되기 때문에 고전역학에서 사용되는 입자라는 용어는 잘못된 용어이다. 따라서 특수한 상황에서 파동이 입자와 같은 성질을 나타낼때와 같은 파동 입자 이중성 현상에 대해 설명이 불가능하다. 이를 보완하기 위해 힐베르트 공간의 양자 상태벡터로 설명이 가능하며 이 공간은 양자장론에서 사용되고 있다. 입자물리학의 규칙에 입각하여 기초 입자는 광자와 전자 같은 입자들 뿐만 아니라 파동의 성질을 갖고 있는 입자들도 포함이 된다.
모든 입자와 그 입자와 상호작용을 하고 있는 입자들은 양자장론에 따라 표현되며 표준모형으로 설명이 가능하다. 표준모형에는 61가지의 기본입자들이 존재한다. 이 기본입자들을 합쳐서 상위입자로 표현을 할 수 있으며 1960년대 이후 이러한 상위 입자들은 수백개가 되었다. 표준 모형의 경우 현재까지 대부분의 실험에서 오류가 없어 맞는 것으로 결론이 나고 있으나 대부분의 입자들의 경우 자연적으로 불완전히 설명되어 모든것의 이론같은 기본적이고 기초적인 이론개발이 필요하다. 최근 몇년간 중성미자에 대한 질량 측정 결과의 표준 모형이 실험적인 결과값 간에 오차가 있는것으로 확인이 되었다.
입자물리학 역사
입자물리학은 역사적으로 탈레스의 질문에서 나온 생각이다. 모든것의 물이다 라는 명제가 과학의 시작으로 볼 수 있지만 근대 과학적 의미에선 갈릴레오 갈릴레이의 이론부터 시작이라고 생각하면된다.
모든 물질에 대한 생각은 기원전 6세기부터 가지고 있었으며 모든 물질은 기본입자로 이루어져있다는 생각이 나타났다. 원자론에 대한 교리와 레우키포스, 데모크리토스와 같은 고대 그리스 철학자들은 소립자의 본성에 대해 연구 및 관찰하기 시작했다. 다르마키르티, 카나다, 디그나가와 같은 고대 인도 철학자와 함께 무슬림 과학자인 이븐 알하이삼, 이븐 시나, 가잘리, 뉴턴, 보일, 가상디와 같은 유럽의 과학자들도 연구를 했다. 빛의 입자설에 대해선 이븐 시나, 뉴턴, 가상디, 이븐 알하이삼이 지지를 했으며 이런 초기의 아이디어에 대해선 실험을 통한 결과 값이나 경험적 증거 보다는 추상이나 철학에 더 가까웠다.
19세기 돌턴이 화학양론을 통해 자연의 요소들은 각각이 고유한 종류의 입자로 구성이 되어있다는 것을 밝혔다. 돌턴과 함께 그의 동시대 사람들은 자연은 기본입자를 통해 구성되어있다 생각했고 그 이름을 그리어스로 나눌수 없는을 의미하는 atomos에서 atom라는 단어를 가지고와서 이름 붙였다. 하지만 19세기 후반 물리학자들은 원자가 가장 작은 기본입자가 아니라 더 작은 입자가 있다는 것을 밝혔고 20세기 초 핵물리학과 양자역학에 대한 연구가 많이 일어날때 1939년 마이트너가 한의 실험에 기반하여 핵분열을 증명하고 1939년 베테도 핵융합에 대해 증명을 했다. 이러한 발견들은 다른 원자에서부터 한 원자를 만들어내는 산업을 활성화시켰다. 또한 핵분열과 핵융합의 발견은 핵무기 개발에 이용이 되었다. 1950년부터 1960년까지 충돌 실험을 통해 다양한 입자들이 밝혀졌고 이를 통해 입자 동물원이라는 단어가 나왔다. 이 용어의 경우 1970년대 많은 수의 입자가 적은 기본입자로 설명되는 표준모형이 나타나면서 사용되지 않게되었다.
입자물리학의 통일장 이론은 입자물리학 뿐만 아니라 대부분의 물리 법칙은 복잡한 사실과 계산을 단순한 설명으로 이해하는 작업이다. 이러한 맥락에서 물리학은 통일 이론의 추구라고 말할 수 있다. 뉴턴역학은 천체물리학과 함께 지표면의 낙하 운동을 통일한 이론이고 맥스웨을 전자기 이론은 전기와 자기를 통일한 이론이다. 표준모형의 경우 전자기력과 함께 약한 상호작용을 통일한 이론으로 전약력의 이론이라고도 부른다.
현재 가장 이슈가 되고 있는 통일 이론 중 하나는 대 통일 이론이다. 표준 모형의 모든 힘을 하나로 통합하는 것으로 표준 모형의 기반이 리 대수의 변환 성질이므로 이를 더 큰 단순 리대수로 힘을 표현하는 이론이다. 여기에 중력까지 통일하는 이론을 우리는 모든것의 이론이라는 가칭을 사용하여 부른다. 이에 대한 통일 이론 후보로는 끈이론이 있다.
입자물리학의 대규모 실험장치는 입자들의 기본입자를 밝혀내는 일이다. 기본적으로 현대의 입자 물리학 실험은 어니스트 러더퍼드의 산란 실험을 확장한 것으로 속도가 높은 입자를 대상이 되는 물질과 충돌 시켜 발생되어진 파편들과 함께 이를 거꾸로 재구성하여 물질의 구조에 대해 연구하는 것이다. 더 작은 구조를 연구하기 위해선 더 높은 속도의 입자들이 필요하며 이를 위해 입자 가속기를 사용한다. 더 빠른 속도를 얻기 위해선 더 큰 가속기가 필요하며 현재 가장 큰 입자 실험장치는 스위스와 프랑스 국경에 위치한 유럽입자 물리연구소이다. 이 실험장치의 경우 원형으로 생겼고 지름은 8km에 다다른다.
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