입 자 모


(Http://particleadventure.org)



담당교수 : 유 인 권 교수님


번    역 : 권 대 영

           김 명 선

           김 정 한

           심 규 한

           정 덕 용

           황 상 훈

           심 여 정

           정 수 민

           이 상 용

           김 인 홍













1 무 엇 이   기 본 인 가?

1. 영원한 질문                                                                   (정덕용)

 

 사람들은 오랫동안 "세상은무엇으로 이루어져 있는가?" 그리고 "무엇이 그것을 결

 합하도록 잡아두는가?" 라는 의문을 가져왔다.

2. 근원에 대한 연구                                                           (심여정)


세상은 무엇으로 만들어져 있는가?


왜 이 세상의 꽤 많은 것들이 같은 특성을 공유하는가?


사람들은 세상의 물질이 자연의 근원적인 빌딩블록으로 만들어져 있다는 것을 깨달아왔다.


여기 단어 “근원”이라는 열쇠가 있다. 근원적인 빌딩블록들은 -더 이상 작은 것으로 만들어질 수 없는 - 간단하고 구조적인 대상을 의미한다.


심지어 고대시대에서도 사람들은 그들을 싸고 있는 세상을 근원 물질로, 흙, 공기, 불, 물로 분류하는 노력을 계속했다.

Trivia: 처음 근원요소를 흙, 공기, 불, 물로 분류한 사람은 누구인가?


Answer

그리스의 사상가인 엠페도클레스가 근원요소를 붉, 공기, 흙, 물로 분류했다. 비록 우리의 삽화가 아리스토텔레스의 분류를 따르고 있기는 해도.


당신은 알고 있는가?

고대 중국인은 물리적인 세계의 다섯 가지 기본 구성요소는 흙, 나무, 금속, 불, 물이라고 믿었다. 그리고 인도의 이쉬바라크르스나(기원후 3세기)에 의해 씌어진 삼크야-카리카스에서는 다섯 가지 요소는 공간, 공기, 불, 물, 그리고 흙이라고 주장했다.

3. 원 자                                                                            (정수민)


오늘날 우리는 흙, 물, 공기, 불 보다 좀더 기본적인 무언가가 있다는 것을 알고 있다.



원   자



통상적으로 원자는 색을 가지고 있다.

           원자는 달다.

           원자는 쓰다.

 

그러나 현실에서는 원자와 공간이 있다.  -데모크리투스 (c. 400 BCE)


1900년경에 사람들은 많은 전기적 전하들이 원자의 내부에서 튀어 다니는 투과성이 있는 공으로 생각했다.


그러나 원자는 기본적인가?

4. 원자가 근본적인가?                                                         (이상용)


     원자는 근본적인가?


    사람들은 비슷한 화학적 특성을 공유하는 집단으로 원자들

 을 분류할 수 있다는 사실을 곧 알게 되었다. (원소의 주기율

 표에 있는 것처럼). 이러한 사실은  원자들이 더 단순한 건축

 구조로 이루어져 있었으며 이것들은 화학적 특성을 결정하는

 서로 다른 더 단순한 건축 구조라는 사실을 가리켰다.


 게다가 입자 탐지기를 사용하여 원자를 보는 실험은 원자가 구조를 가지고 있으며 단순한 스쿼시 공이 아니다는 것을 가리켰다. 이러한 실험은 과학자들로 하여금 원자가 작지만 밀도가 있으며, 양전하를 띄는 핵과 음전하의 전자 구름으로 이루어져 있다고 결론짓도록 했다.



 





퀴즈: “원자라는 단어는 틀린 명칭이다. 왜 그런가?


 (답)그리스어로 원자라는 단어“atomon"은 쪼개질 수 없는 것을 뜻한다. 그러나 우리가 원자라고 부르는 실체들은 더 근본적인 입자들로 만들어져 있다.

5. 핵이 근본적인가?                                                           (이상용)

 

  핵이 근본적인가?


 핵이 작고, 단단하과, 밀도가 있는 것처럼 보였기 때문에 과학자들은 처음에 핵이 근본적인 입자라고 생각했다. 나중에 과학자들은 핵이 양전하를 띄는 양성자와 전하를 띄지 않는 중성자로 이루어져

               있다는 것을 발견했다.


    그러면 양성자와 중성자가 근본적인가?

6. 양성자와 중성자가 기본인가?                                           (황상훈)

 

  과학자들은 양성자와 중성자는 쿼크라고 불리는 작은 소립자에 의해 구성되어 있는 것을 발견했다.

  당신이 아는 한 쿼크는 기하학의 한 점과 같다. 그것들은 어떠한 것으로도 만들 수 없다.


  

  이 같은 이론의 광대한 연구 후에 과학자들은 쿼크와 전자(그리고

  우리가 잠시 후에 보게 될 어떤 것)가 기본이라고 짐작했다.

7. 현대 원자 모델                                                              (황상훈)


  이것이 현대 원자 모델이다.



     전자들은 핵 주위를 일정하게 운동하고 있다. 그리고 양성자와

     중성자가 이 핵내에서 엉켜있으며, 쿼크들은 이러한 양성자와

     중성자내에서 엉켜있다.






 이 그림은 잘 맞지가 않는 그림이다. 만약 우리가 스케일에 맞게 원자를 그려보자. 직경안에 있는

양성자와 중성자가 센티미터라면 전자들과 쿼크들은 머리카락의 지름보다 더 작을 것이다. 그리고

전체적으로 원자의 직경은 축구 경기장의 30배보다 더 크다. 한 원자 볼륨의 99.999999999999%가

마치 텅빈 공간을 이룬다.

8. 원자의 규모                                                                   (김인홍)


원자의 규모


원자는 아주 작지만, 핵은 원자보다 10000배 더 작고 쿼크와 전자는 핵보다 적어도 10000배 더 작다.


우리는 쿼크와 전자가 정확히 얼마나 작은지는 모른다. 우리가 알지는 못하지만 그것들이 10^(-18)미터보다 작은 것은 명백하고, 그리고 그것들은 말그대로 점에 지나지 않을지도 모른다.


결국 쿼크와 전자가 기본이 아니라는 것 또한 가능하다. 그리고 다른 것들로 구성된 더 기본적인 입자들이 밝혀질 것이다. (오, 이것은 끝이 없는 미친 짓인가?)

9. 우리가 찾는 것은 무엇인가?                                            (김인홍)


물리학자들은 계속적으로 새로운 입자들을 찾고 있다.


그들이 새로운 입자를 찾았을 때, 그들은 그것들을 분류하고 우주의 기본적인 구조들이 어떻게 작용하는지에 관해 우리들에게 말해주는 패턴을 찾기위해 노력하고 있다.


우리는 현재 (대부분 기본적인게 아닌) 약 200개의 입자들을 발견했다.


이 입자들의 모두를 분류하기 위해 그리스와 로마 알파벳들로 이름지어졌다.


물론, 입자들의 이름은 물리 이론의 작은 부분이다.


만일 그것들을 기억하는데 어려움이 있더라도 용기를 잃지는 마라.


명심할 것: 위대한 엔리코 페르미 조차도 그의 학생(미래 노벨상을 수상한) 레온 레드맨에게 이렇게 말했다. “젊은이여, 만일 내가 이 입자들의 이름을 기억할 수 있었다면, 나는 식물학자가 되었을 것이네!”


10. The Standard Model                                                       (권대영)


The Standard Model


물리학자들은 세계는 무엇이며, 서로간에 어떻게 결합이 되어 있는지에 대해 설명을 하는 소위 The Standard Model이라고 불리는 이론을 발명하였다. 그것은 간단하며, 포괄적인 이론이다. 또한 이 이론은 수백만개의 모든 입자들과 복잡한 상호작용들을 설명한다. 즉

∙6 quarks(쿼크)

∙6 leptons(렙톤) 가장 잘 알려진 lepton(렙톤)은 electron(전자)이다. 우리는 잠 

   시후 약간의 페이지로 lepton에 대하여 이야기 할 것이다.

∙Force carrier particles(입자를 운반하는 힘) photon(포톤)과 비슷하다. 우리는 

   잠시후 이 입자에 대해서 이야기 할 것이다.

우리가가알고 있는 모든 물질 입자들은 quarks 와 leptons. 으로 이루어져 있다. 그리고 그들은 force carrier particles를 상호 교환함으로써 서로간의 상호작용을 한다.

The Standard Model은 좋은 이론이다. 실험가들은 믿어지지 않을만큼의 정확성으로 예견한 것들을 증명을 하였다. 그리고 이론에 의해서 예견되어진 모든 입자들이 발견되어졌다. 하지만 이 이론으로도 모든 것들을 설명할 수 가 없다. 예를들면 중력은 The Standard Model의 범주에 속하지 않는다.


이 사이트는 더욱 많은 세부적인 부분에서 The Standard Model를 탐험하게 할 것이다.

또한 우리들에게 이 이론을 뒷받침 해주는 자료들을 줌으로써 실험의 기술들을 묘사할 것이다. 또한 우리는 ‘우주가 어떻게 일을 하는가’에 대한 현재의 이해의 흥미진진한 의문들에 대해서 경험하게 될 것이다.

11. Standard Moedel 퀴즈                                                    (권대영)



질    문


우리가 알고 있는 여러 입자들은 얼마나 많은 기본 입자들로부터 구성되어져 있는가?


답: 6개의 쿼크, 6개의 렙톤, 6개의 안티쿼크, 6개의 안티렙톤, force carrier들


사 소 한     질   문


물리학자들이 전자, 양성자, 중성자, 포톤 보다 더 많이 있다라는 것을 언제 알았는가? 5? 25? 60? 100?


답 : 60년!! 1930년 물리학자들은 뮤온들을 발견하였다. 하지만 1960년과 1970년에 고에너지 가속기를 가지고 수백개의 더욱 많은 것들을 발견하였다.











2 우주는 무엇으로 구성되어 있는가?

1. Quarks and Leptons                                                         (김정한)


 여러분들이 읽었다시피, 은하계들에서부터 산들 그리고 분자들에 이러기까지 모든 것은 quark(쿼크)들와 lepton(중입자)들로 만들어져 있다. 그러나 그것이 모든 이야기(설명)은 아니다. 쿼크들은 중입자들과는 다르게 행동한고, 각각의 물질 입자들에 대해 그에 상반되는 반물질 입자가 존재한다.

2. Matter and Antimatter                                                    (김정한)


 우리가 발견한 모든 종류의 물질 입자에 대해 그에 상반되는 반물질

(혹은 반입자)가 역시 존재한다.

 반입자들은 그것들에 상반되는 물질입자와 반대 전하를 띤 것을 제외

하고는 물질입자들같이 보이고 같은 행동을 한다. 예를 들어, 양전자

는 전기적으로 양전하를 띠는 반면에 반양전자는 전기적으로 음전하를 띤다. 중력은 전하적 성질과 상관없고 물질 입자는 그것의 반 물질입자와 질량이 같으므로 물질과 반물질입자에 같은 효과를 준다.


 물질입자와 반물질입자가 만났을 때, 그 두입자는 순수한 에너지를 남기고 쌍소멸 한다.

















3. 반물질이란 무엇인가?                                                     (김명선)


천천히 읽어 내려가라! “반물질?”, “순수에너지?”, 이것이 무엇이냐?, 스타트랙이냐?


 반물질에 대한 이러한 생각은 이상하고, 모두를 이상하게 만든다. 왜냐하면 우주는 전체적으로 물질로 구성되어서 나타나기 때문이다. 반물질은 우주에 관하여 너희가 아는 모든 것에 반대인 것으로 가는 것처럼 보인다.

 그러나 너희는 좀더 일찍이 거품상자 사진에서 반물질에 대한 증거

 를 볼 수 있다. 이 상자에서 자기장은 음전하를 띈 입자는 왼쪽으로

 돌게 하고, 양적인 입자는 오른쪽으로 돌게 한다. 많은 전자와 양전자   쌍은 마치 아무것도 없는 곳에서부터 나타나는 것처럼 보인다.

 그러나 사실 그것들은 광자에서 나온다. 이것은 자취를 남겨두지

 않는다. 양전자(반전자)는 마치 전자처럼 행동하지만 반대방향으로

 회전을 한다. 왜냐하면 그들은 서로 다른 전하를 가지기 때문이다.

 (하나의 그러한 전자,  양전자 쌍은 두드려져 보인다.)


 만약 반물질과 물질이 정확히 같지만 반대라면, 왜 우주에는 반물질

 보다 물질이 훨씬 많이 있는 것인가?

 글쎄.. 우리는 모른다. 그러한 질문은 물리학자들이 밤새서 연구

 해야할 과제이다.


  (페르미실험실의 이미지 호의)




(반입자에 대한 일반적은 상징은 상대적인 입자의 상징위에 바표시를 한다. 예를 들어 “up quark-u”는 “up antiquark-”으로 표시를 하고 u-bar라고 읽는다. 쿼크의 반입자는 반쿼크이고, 양성자의 반입자는 반양성자등이다. 반전자는 positron이라고 불리고 e+으로 표시한다.)











거품 상자

거품상자는 1953년에서 1970년대에 들어서기까지 가장 중요한 입자

검출기 중 하나였다. 거품 상자를 뒷받침하는 생각은 당신이 대전된

입자를 매우 가열된 액체 속으로 쏘았을 때, 그 입자는 거품을 뒤로

남기게 될 것이다. 이것은 입자들을 추적하고 그것들의 전하나 질량과

같은 중요한 것들을 계산해내는 것을 쉽게 한다.


(매우 가열된 액체는 액체가 끓는 점 바로 아래에 있을 때 상자 안의

압력을 낮춤으로써 만들어진다.)



입자에 관한 것들을 찾기 위하여, 물리학자들은 그들의 전하운동량

측정한다. 이것을 하기 위하여 그들은 강한 자기장에서 입자를 충돌시

켜서 관찰한다. 왜냐하면 다른 종류의 입자들은 전하와 운동량에 따라서 자기장에서 매우 다르게

행동하기 때문이다.



하나의 경우는, 대전된 입자의 부호가 그들의 경로를 쉽게 읽어질

 수 있다. 왜냐하면 그들은 같은 자기장에 대해서 서로 다른 방향

으로 회전하기 때문이다.


 다른 경우에는 입자의 운동량이 쉽게 계산될 수 있다.

 왜냐하면 좀더 큰 운동량을 가진 입자의 경로는 덜 적은 운동량을 가진 것들보다 덜 구부려지기 때문이다.








4. 쿼크들                                                                          (김명선)


  쿼크는 물질입자의 하나의 형태이다. 우리주위에서 볼 수 있는 대부분의

 물질은 양성자와 중성자에서 만들어진다. 그리고 그것들은 쿼크들로

 이루어져 있다.


  6개의 쿼크가 있다. 그러나 물리학자들은

주로 그것들에 대해서 말을 할 때 3개의 쌍의 용어로 얘기한다. : up/down, charm/strange, top/bottom

(또한 이러한 쿼크들 각각에 대해서 이에 대응하는 반쿼크가 있다.)

쿼크가 이러한 우스운 이름을 가지고 그것이 그것들을 쉽게 기억할 수

있게 만드는 이러한 것에 대해서 기뻐해라!


쿼크는 분수형태의 전자전하라는 특별한 특징을 가진다. 양성자와

전자가 정수형태의 +1, -1이라는 전하를 가지는 것과는 상대적으로

다르다. 쿼크는 또한 color전하라고 불리는 다른 형태의 전하를 운반

한다. 이것은 나중에 언급할 것이다.


 가장 어려운 쿼크인 탑 쿼크는 1995년에 발견되었고, 그것에 대한

실험은 20년 동안이나 이론화되어서 이어져왔다.

  물리학자의 재미있는 익살스런 생각을 보기를 원하는가?


재미있는 익살스런 생각


Cork model/bad pun by Don Groom, Particle Data Group, LBNL.


당신은 어떤 코르크가 어떤 쿼크를 나타내는지 설명할 수 있는가? 그것을 찾으려면 코르크를 클릭해라!

 

Charm

 

Up

Top

Down

Bottom

 

Strange

 

             

5. 쿼크들의 이름 짓기                                                         (정덕용)


쿼크들의 이름 짓기...


쿼크에 대한 이름 짓기은 1964년 Murray Gell-Mann 과 George Zweig가 당시 알려진 몇 백  개의 입자들이 단지 세 개의 입자들만의 결합으로써 설명되어질 수 있다고 제안했을 때 시작되었다. Gell-Mann은 소설“ Finnegan's Wake”에서 James Joyce에 의해 사용되어진 이치에 맞지 않는"kworks,"라고 발음되는 단어인 "quarks,"를 이들 세 개의 입자에 대한 이름으로 선택했다.


“Muster Mark를 위한 세 개의 쿼크”


그들의 계산 작업이 성공적으로 되기 위해서, 쿼크는 2/3과 -1/3의 분수 전하량을 가지는 것으로 나눠져야만 했다. 그러한 분수 전하량은 이전에 전혀 발견된 적이 없었다. 쿼크들은 당시 발견된 적이 없었기 때문에 그저 수학적인 가상으로만 여겨졌다. 실험으로써 쿼크가 존재할 뿐 만 아니라 세 개가 아닌 여섯 개가 있다는 사실을 물리학자들은 알게 되었다.


쿼크들이 어떻게 그러한 우스꽝스런 이름을 가지게 되었을까?


쿼크에는 여섯 가지 맛이 있다. “맛”이라는 것은 종류가 다름을 의미한다. 두 개의 가장 가벼운 쿼크는 updown으로 불린다.

세 번째 쿼크는 strange라 불린다.  그 strange라는 이름은 K입자(strange쿼크를 포함하고 있음이 처음으로 발견된 입자)의 이상하리 만큼 긴 수명에서 비롯된 것이다.


네 번째 쿼크는 charm 쿼크인데 그 이름은 종잡을 수 없는 어떤 생각에서 비롯되었다. charm quark은 1974년 Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) 와 Brookhaven National Laboratory에서 동시에 발견되었다.


다섯 번째와 여섯 번째 쿼크는 과거에 truth 와 beauty로 불렸지만 그 이름은 심지어 물리학자들에게서도 너무 귀엽게 지은 것으로 생각되었다.

1977년 Fermi National Lab (Fermilab)에서 Upsilon(Y)이라고 불리는 합성입자 내에 있는  bottom quark이 발견되었다.


top 쿼크가 Fermilab에서 1995년에 마지막으로 발견되었다. top quark은 가장 질량이 큰 쿼크이다. top quark은 오랫동안 예측되어 왔지만 Fermilab에서 1995년에 발견되기 전까지는 제대로 관측된 적이 없었다.


1995년 3월 2일에 페르미 연구소에서 여섯 개의 여측되었던 쿼크 중 마지막인 탑 쿼크

발견을 알렸다. 탑 쿼크에 대한 탐구는 물리학자들이 다섯 번째 쿼크인, bottom 쿼크를

발견한 때인 1977년에 페르미 연구소에서 시작되었다. 그 발견이 늦었던 이유는 처음

에 생각했던 것보다 탑 쿼크의 질량이 훨씬 더 커서 그 것을 만들어 내기 위해서는 더

강력한 가속기가 필요했기 때문이다.


탑 쿼크가 너무 빠르게 붕괴해서 관찰되어질 수 없다하더라도, 그것은 그것의 존재를 입증해 줄

흔적을 남긴다 - 탑 쿼크의 “흔적”. 탑 쿼크는 한 가지 방법이상으로 붕괴할 수 있다. 오직 몇 십억

의 충돌에서 탑 쿼크는 한 번 나타나기 때문에, 그 발견이라는 것은 몇 조번의 충돌을 필요로 한다.


물리학자들은 아직 탑 쿼크와 왜 그토록 큰 질량을 가지는지 모른다. 탑 쿼크는 그 다음으로 질량이

무거운 쿼크의 질량의 40배이고 우리가 주변에서 볼 수 있는 대부분의 물질을 만들어 내는 업 쿼크

다운 쿼크의 질량의 35000배이다. 사실 왜 입자들이 그렇게 다른 질량을 가지는지에 대한 의문이

아직 남아있다.





페르미 연구소의 가속기는 입자의 충돌이 만들어내는 다양한 생산물의 자취

기록하는 검출기내에서 양성자와 반양성자를 충돌시킨다. 몇 조번의 충돌 중

단 몇 백번의 충돌이 물리학자들에게 탑 쿼크에 대한 증거를 제공해 준다.


관측되는 현상은 그것 자체로 다양한 입자의 혼란스런 난잡함으로 나타난다.

컴퓨터는 메존과 양전자, 예측 되어진 뉴트리노의 무리들을 보여주는 이

현상들을 분석한다. 이런 흔적(현상)들을 보면서, 물리학자들은 탑 쿼크가 W

입자와 b 쿼크로 붕괴함을 추론해 낼 수 있었다, 비록 이것들이 우리가 관측

할 수 있기 전에 붕괴해 버린다할지라도.











6. 하드론, 바리온, 메존                                                     (정덕용)


군집 생활을 하는 코끼리들처럼 쿼크는 다른 쿼크들과 함께 존재하며 결코 독립적으로 발견되지 않는다. 쿼크로 만들어진 합성입자는 하드론이라 부른다.


쿼크가 비록 분수의 전하량을 가진다 하더라도 쿼크들은 그들이 만들어내는 하드론이 정수의 전하량을 가지도록 결합한다. 하드론의 또 다른 한 가지 특성은 비록 쿼크가 색전하를 가진다하더라도 하드론의 알짜 색전하는 영이라는 것이다. (이것에 대해서는 후에 다시 논할 것이다)


하드론은 다시 두 가지로 나누어진다.(코끼리 위에 당신의 마우스를 놓아 보아라):

...바리온은 세 개의 쿼크로 이루어진

하드론이다.(qqq). 

 

 

두 개의 up쿼크와 하나의 down쿼크로

이루어진(uud) 양성자는 바리온이고,

(udd)인 중성자 역시 바리온이다. 

 

...메존은 하나의 쿼크(q)와 하나의 반쿼크()를 가진다..

 

 

 

한 예로 파이온(+)은 하나의 up쿼크와 하나의 down

반쿼크로 이루어진 메존이다. 메존에 대한 반입자는

교환된 메존의 쿼크와 반쿼크를 가진다. 그래서

반파이온(-) 입자는 하나의 down쿼크와 하나의

up반쿼크로 만들어진다.

 

메존은 입자와 반입자로 이루어져 있기 때문에  매우

불안정하다.  케이온(K-) 메존은 대부분의 메존들 중

가장 수명이 긴 메존인데, 그러한 사실이 바로 왜

케이온이 이상하다고 불렸는지 그리고 케이온의 구성

입자중 하나인 strange 쿼크에 왜 “strange ”라는

이름이 붙게 됐는지에 대한 이유이다.


하드론에 대해 한 가지 이해하기 힘든 것은 하드론의 질량의 매우 매우 작은 부분만이 하드론

내부에 있는 쿼크에 기인한다는 사실이다.


하드론에 대해 한 가지 이해하기 힘든 것은 하드론의 질량의 매우 매우 매우 작은 부분만이 하드론 내부에 있는 쿼크에 기인한다는 사실이다. 예를 들어, 양성자(uud)는 그것을 이루고 있는 쿼크들의 질량을 합한 것보다 더 큰 질량을 가진다.

우리가 하드론에서 관찰하는 질량의 대부분은 그것의 운동 그리고 위치에너지에서 나오는 것이다. 이들의 에너지는 아인슈타인의 에너지와 질량에 관한 공식, E = mc2 에 의해 표현되는 하드론의 질량으로 바뀐다.






























7. 렙톤                                                                             (심여정)


물질입자들의 다른 형태는 렙톤이다.


6개의 렙톤들, 전기적 전하를 띄는 3개와 그렇지 않은 3개가 있다. 그들은 내부 구조를 가지지 않는 점 같은 입자로 나타난다. 가장 잘 알려진 렙톤은 전자(e-)이다. 전하를 띄는 다른 2개의 렙톤은 뮤온()과 타우()인데, 이것들은 전자처럼 전하를 띄고 있으나 훨씬 큰 질량을 가지고 있다. 다른 렙톤들은 뉴트리노()의 세 가지 형태이다. 그들은 전기적 전하를 띄지 않으며 매우 작은 질량을 가지며, 그들은 매우 찾기 어렵다.


쿼크들은 붙임성이 좋고 다른 쿼크들과 결합을 한 입자로만 존재한다. 그런데 렙톤은 단독의 입자이다. 전하를 띄는 렙톤을 독립적인 고양이로, 보기 매우 어려운 뉴트리노 연합들로 생각하라.









각각의 렙톤에 대해 대응하는 반물질 반렙톤이 있다. 반전자는 특별한 이름, “양전자”를 가진다는 것에 주의하라.



Trivia: "렙톤“은 그리스에 ”작은 질량“에서 유래한다. 그러나 이것은 틀린 명칭이다. 왜인가?



“렙톤”이 그리스어 “작은 질량”에서 왔다 하더라도, 타우렙톤은 전자보다. 3000배 이상 무겁다.







8. 렙톤 붕괴                                                                      (심여정)


더 무거운 렙톤들, 뮤온과 타우는 보통의 물질에서 전혀 발견된 적이 없다. 이것은 그것들이 생기자마자 매우 빠르게 붕괴되거나. 더 가벼운 렙톤으로 변하기 때문이다. 가끔 타우렙톤은 쿼크, 반쿼크, 그리고 타우 뉴트리노로 붕괴된다, 전자와 3가지 뉴트리노들은 안정되어 있고 그래서 우리주위에서 일반적으로 볼 수 있다.









무거운 렙톤이 붕괴할 때 입자들 중 하나는 항상 대응하는 뉴트리노로 붕괴한다. 다른 입자들은 쿼크와 그것의 반쿼크가 될 수도 있고 다른 렙톤과 그것의 반뉴트리노가 될 수도 있다.


물리학자들은 렙톤붕괴의 어떤 종류는 가능하다는 것과 어떤 것은 그렇지 않다는 사실을 관찰해왔다. 이것을 설명하기 위해서 그들은 렙톤들을 3가지 렙톤족으로 나누었다 : 전자와 그것의 뉴트리노, 뮤온과 그것의 뉴트리노, 타우와 그것의 뉴트리노. 각각의 족에서 구성원의 수는 붕괴에서 여전히 보존되어야 한다. (같은 족에서의 입자와 반입자는 그들의 부를 합치면 “상쇄되어” 0과 같아진다.)


렙톤들이 단독으로 있다고 해도 그들은 항상 그들의 족에 충실하다.













9. 렙톤 형 보존                                                                 (심여정)


렙톤들은 세 렙톤 족으로 나누어진다. : 전자와 그것의 뉴트리노, 뮤온과 그것의 뉴트리노, 타우와 그것의 뉴트리노.


우리는 입자의 렙톤족을 지시하기 위해 “전자 수”, “뮤온 수”, “타우 수”라는 용어를 사용한다. 전자들과 그들의 뉴트리노들은 전자 수 +1을 가지고, 양전자와 그들의 반뉴트리노들은 전자수 -1을 가지며, 모든 다른 입자들은 전자 수 0을 가진다. 뮤온 수와 타우 수는 다른 두 렙톤 족들과 유사하게 작용한다.


그러면, 렙톤에 대해 중요한 한 가지는 전자 수, 뮤온 수, 타우 수는 무거운 렙톤이 더 작은 것으로 붕괴할 때 항상 보존된다는 것이다.


 예제 붕괴를 해보자.


  뮤온은 뮤온 뉴트리노와 전자, 반전자로 붕괴한다 :


          방정식

          전자 수


          뮤온 수


          타우 수


당신이 볼 수 있는 것처럼, 전자 수, 뮤온 수, 타우 수는 보존된다. 이것과 다른 보존법칙들은 주어진 가설의 렙톤 붕괴가 가능하든 그렇지 않든 우리가 믿는 것을 정의한다.












10. 렙톤 붕괴 퀴즈                                                             (심여정)


이 렙톤 붕괴가 가능한가? 왜 또는 왜 그렇지 않은가?



(타우 렙톤은 전자와 전자 반뉴트리노, 타우 뉴트리노로 붕괴한다.)



그렇다! 전하, 타우 수, 전자 수, 그리고 에너지 모두 보존된다.

 


(타우 렙톤은 뮤온과 타우 뉴트리노로 붕괴한다.)



아니다! 뮤온 수가 보존되지 않는다. 뮤온은 뮤온 수 1을 가지고, 그래서 붕괴 방정식의 우변은 뮤온 수 1을 가진다. 그러나 좌변은 뮤온 수 0을 가진다.


이제 속임수 문제를 해봐라 :



(전자가 뮤온과 뮤온 반 뉴트리노, 전자 뉴트리노로 붕괴한다.)



아니다! 놀랍지! 전자수와 뮤온 수가 모두 보존된다하더라도 에너지가 보존되지 않는다. 뮤온은 전자에 비해 매우 더 큰 질량을 가지고, 렙톤은 붕괴가 시작한 것보다 더 무거운 것으로 붕괴할 수 없다!









11. 중성미자                                                                      (정수민)


우리가 말했듯이 중성미자는 렙톤의 한 형태이다. 렙톤은 전하와  색 전하를 가지지 않기 때문에 다른 입자들과 거의 상호작용하지 않는다. 대부분의 중성미자는 그것의 홑 원자와 함께 상호작용 없이 지구를 똑바로 통과한다.

중성미자는 다양한 상호작용에서 생성되고 특히 입자붕괴에서 생성된다. 실로 이것은 방사붕괴(베타 붕괴) 의 신중한 연구를 통해 물리학자들은 중성미자의 존재를 가설화하였다.


For example: (1) 방사하는 핵에서 정지해 있는 중성자는 양성자와

전자를 내놓으며 붕괴하다. (2) 운동량 보존의 법칙 때문에 붕괴된 것은

전체 운동량 0을 가져야 하지만 관찰된 양성자와 전자는 명백히 그렇지

않다. (3) 그러므로 우리는 이것을 유지하기 위해  적당한 운동량을 지

다른 입자를 필요로 한다. (4) 우리는 반중성미자가 방출된다고 가정하였다.

실험은 이것이 실제로 일어난다고 확인시켜준다.

왜냐하면 중성미자는 초기우주에 물질과 상호작용하지 않으면서 아주

많이 생성 되었을 것이다. 우주에서 매우 많이 존재한다. 그들의 질량은

적지만 아주 많아서 우주의 전체 질량에 기여 했을 것 이고 우주의 팽창

영향을 미쳤을 것이다.















12.입자가 무엇으로 구성되어있는가에 대한 질문                    (정수민)



질문:

양성자는 무엇으로 구성되어있는가?



양성자는 두 개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 구성되어 있고 uud 로 표현된다.


전자는 무엇으로 구성되어 있는가?



아무것도! 전자는 우리가 아는 한 기본적이다.


다음의 어느 것이 쿼크로 구성되어 있는가?


바리온?



예. 그들은 세 개의 쿼크로 구성되어 있다.


메존?



예. 그들은 하나의 쿼크와 하나의 반 쿼크로 구성되어 있다.


바론?



예. 영어단어의 어떠한 집합들도 쿼크를 만들 수 있다.




13. 물질의 세대                                                                 (정수민)

쿼크와 렙톤은 세 개의 다른 족이 있다. 각각의 쿼크와 렙톤의 전하

유형의 족은 물질의 세대라고 불린다. (각 세대별로 내려가면서 전하

, , 0 과 , -1). 이 세대들은 질량이 증가하는 순으로 구성되

있다.


우주에서 모든 보이는 물질들은 물질 입자의 첫 번째 세대로 만들어져

있다.-up 쿼크, down 쿼크, 그리고 전자. 이것은 두 번째와 세 번째

세대의 입자들은 불안정하고 안정한 첫 번째 세대 입자로 빨리 붕괴하

때문이다. 


잠시만 기다려봐. 만약 물질의 세대가 높을수록 빨리 붕괴한다면 거의 관측할 수 없을 것이고, 우

주위의 어떠한 안정한 물질도 만들 수 없을 텐데 .. 왜 그들은 존재하는 거지?


좋은 질문이야. 사실 뮤온이 발견되었을 때 물리학자 l.l Rabi 는 물었다.

우리는 왜 물질의 세대를 가지는 거야? 왜 그것들은 세 세대지? 우리는 알지 못한다.

그리고 왜 두 번째와 세 번째 세대가 존재하는지에 이해 없이 우리는 우리가 아직 발견하지 않은

쿼크와 렙톤이 더 있을 것이라는 가능성을 배제 할 수 없을 것 이다. 혹은 아마도 그 답은 저 쿼크

렙톤들이 기본적인 것이 아니라 심지어 우리가 관측한 쿼크로써 구성된  더 기본적인 입자들로

성되어 있다는 것이다.






14. 물질 요약                                                                    (정수민)


이제 우리는 세계가 무엇으로 구성되어 있는지 알았다. 가장 기본적인 물질 입자들은 여섯 개의 쿼크와 여섯 개의 렙톤이다.


음.. 그것은 전보다 조금 더 복잡하다. 우리는 결코 독립된 쿼크를 찾을 수 없고 우리는 단지 강입자라고 불리는 구성 입자 안에 쿼크들을 관찰 한다는 사실을 기억하라.

그리고 모든 물질 입자에 대한 반입자가 있다.





























3 무엇이 그들을 같이 묵느냐?




















1.네 개의 상호작용                                                             (황상훈)


현재 우리는 쿼크, lepton으로 세계가 만들어져있다는 좋은 개념을 가지고 있다고 생각한다.그래서 ...

무엇이 그들을 같이 묵느냐?

우리가 알고, 사랑하는 우주는 기본적인 입자들의 상호작

때문에 존재한다. 이들 상호작용은 인력과 반발하는 힘,

붕괴와 소멸을 포함한다.


이들은 입자들 사이의 네 가지 기본적인 상호작용이며,

그리고 세계의 모든 힘은 이들 네 가지의 상호작용에

의한 것으로 추정할 수 있다.

그것은 맞다. 당신이 생각하는 어떠한 힘(마찰력, 자기력,

중력, 핵분열, 등등)은 기본적인 네 가지의 상호 작용에

의해서 생겨난다.

힘과 상호작용 사이에는 무엇이 다른가?

이것은 구별하기 힘들다. 엄밀히 말하면, 힘은 입자가

다른 입자의 존재에 의해서 영향을 받는다. 입자의 상호

작용은 입자에 영향을 주는 모든 힘을 포함할 뿐만 아니라 입자들이 거쳐야 할 분열과 소멸을 포함

한다. (우리는 다음 장에서 입자들의 분열과 소멸에 대해 더 깊이 논의 할 것이다.)


대부분의 사람과 물리학자조차도 “상호작용”이 더 정확하지만 힘과 상효작용을 교환할 수 있게

사용하는 것은 혼란스럽게 한다. 예를 들면, 우리는 상호작용을 매개하는 입자를 힘 매개 입자라고

한다. 당신은 그 용어들을 바꿔 사용해도 맞을 것이다, 그러나 당신은 그들이 다르다는 것을 알고

있어야 한다.










2. 어떻게 물질이 상호작용을 하는가?                                   (황상훈)


오랜 세월동안 물리학자들을 성가시게 했던 다루기 힘든 질문은 

“어떻게 물질이 사호작용을 하는가?”

이다. 

그 문제는 접촉을 하지 않고도 그들의 상호작용 있기 때문이다. 자석은 어떻게 인력과

척력에 의해서 각각의 다른 자석의 존재를 느끼는가?

어떻게 태양과 지구는 끌어당기는가?

우리는 그 물음에 대한 답이 “자기”와 “중력”이라는 것을 안다. 그러나 무엇이 그들

힘인가?

기본적인 수준에서는 입자에서 일어나는 정말 실제로 존재하는 것은 아니다. 이것은

자들 사이에서 일어나는 것이다.


























3. 눈에 보이지 않는 효과들                                                 (이상용)


당신은 다음 상황과 유사하게 힘에 대해 생각할 수 있다. 두 사람이 빙판위에 서 있다. 한 사람이

팔을 뻗은 후  뒤로 밀려난다. 잠시 후에 다른 사람이 눈에 보이지 않는 물체를 잡고 뒤로 밀려난다.

비록 당신은 농구공을 볼 수 없지만 당신은 다른 사람에게서 농구공의 효과를 보기 때문에 한 사람

다른 사람에게 농구공을 던졌다고 가정할 수 있다.


물질 입자에 영향을 미치는 모든 힘은 완전히 다른 종류의 입자인 힘 전달 입자들의 교환 때문이라

사실이 밝혀졌다. 이 입자들은 물질 입자들(농구 선수와 유사한)사이에 던져진 농구공과 비슷하다. 우리가 보통 힘이라고 생각하는 것은 실제로 물질 입자들에 대한 힘 전달 입자들의 효과이다.


물론 농구공 애니메이션은 매우 서투른 비유이다. 왜냐하면 그 애니메이션은 단지 반발력을 설명할

뿐이다. 그리고 교환 입자들이 어떻게 인력을 만드는 지에 대한 힌트도 제공하지 않는다. 우리는

일상생활에서 인력의 예(자기력, 중력)본다. 그리고 우리는 일반적으로  물체의 존재가 다른 물체

영향을 끼친다는 사실을 당연시 한다. “두 물체가 접촉 없이 어떻게 서로에게 영향을 끼칠까?” 라는 더 깊은 질문을 던질 때 우리는 눈에 보이지 않는 힘은 힘 전달 입자들의 교환 때문이라고

안한다. 입자 물리학자들은 이들 힘 전달 입자들의 교환에 의해서 믿을 수 없을 정도로 정확하게

다른 입자에 작용하는 한 입자의 힘을 설명할 수 있다는 사실을 알게 되었다.


힘 전달에 대해서 한 가지 알아야 할 중요한 것은 특별한 힘 전달 입자는 그 특별한 힘에 의해

향을 받는 물질 입자들에 의해서만 흡수되고 만들어 질 수 있다는 사실이다. 예를 들어서 전자와

양성자는 전기적 전하를 가지고 있기 때문에 그것들은 전자기력의 힘 전달 입자인 광자를 생산하고

흡수할 수 있다. 반면에 중성자는 전기적 전하가 없기 때문에 중성자는 광자를 흡수하거나 생산할

수 없다.


경고: 만약 힘 전달 입자를 흡수하거나 만든다면 당신은 전달된 그 힘에 영향을 받을 것이다.

위반자는 현실을 훼손했다는 이유로 고소당할 것이다.












4. 전자기                                                                          (김인홍)


전자기력은 같은 전하인 것들은 밀어내고 다른 전하인 것들은 당기는 것에 기인한다.

일상생활의 많은 힘, 마찰력같은, 자석 조차도, 전자기적인, 혹은 전자기력에 의해 기인한다.

예를 들어, 층을 오를 때 떨어지지 않도록 유지하는 힘도 너의 발과 층의 물질을 구성하는 원자들

서로 떨어지는 것을 방지하기 때문에 일어나는 전자기적인 힘이다.


전자기적인 힘을 운반하는 입자는 포톤이다.


다른 에너지들의 포톤은 x선의 전자기 스펙트럼, 가시광선, 라디오파, 등등에 걸쳐있다.

포톤은 우리가 알다시피, 질량이 없다. 그리고 언제나 빛의 속도 c로 움직인다. 진공에서 초당 약

3억 미터, 혹은 초당 186,000 마일이다.
























5. Residual(나머지의) 전자기력                                           (김인홍)


원자들은 보통 같은 수의 양성자들과 전자들을 가진다.

양전하의 양성자들과 음전하의 전자들이 상쇄되기 때문에 그 결과로 그것들은 전기적으로 중성이다.

그것들은 서로 중성이지만, 무엇 때문에 그것들은 안정된 분자들의 형태가 되도록 고정되는가? 

그 답은 약간 이상하다: 우리는 한 원자의 전하를 띈 부분들이 다른 원자의 전자를 띈 부분과 상호

작용함을 발견했다.

Residual 전자기력이라 불리는 이 효과는 다른 원자들이 서로 묶여지도록 한다.

전자기력은 분자들을 형태를 만들고 묶어있도록 하는 것이고, 물질을 창조하고 서로 상태를 유지하

위해 언제나 세상이 너와 상호작용 하도록 하는 것이다.

놀랍지, 그렇지 않은가?

세상의 모든 구조물들은 단순하게도 양성자들과 전자들이 가진 다른 전하 때문에 존재한다!

보이나? 지금 너는 삶의 의미를 알았다!

삶은 전자기력의 딱 들어맞는 간결한 예이다.
























6. 핵이란 무엇인가?                                                           (김인홍)

  

그래도 우리는 원자들에 대한 또 하나의 문제를 가진다. 핵을 서로 묶는 것은 무엇인가?

원자의 핵은 양성자들과 중성자들이 서로서로 다져 넣어져 있는 묶음들로 구성되어

다.

중성자는 전하를 가지지 않기 때문에 양전하를 띈 양성자들은 서로서로 밀어낸다.

왜 핵은 분리되어지지 않는가?

우리는 단지 전자기력만으로 핵이 유지되는 것에 대해 설명할 수 없다.

다른 무엇이 있을 수 있을까?

중력? 절대 아니다! 중력은 너무 작아서 전자기력을 능가할 수 없다.

그럼 이 딜레마를 우리는 어떻게 해결할 수 있을까?



























7. Strong(강력)                                                                 (권대영)


핵내부에서 발생되어지는 것들을 이해하기 위해서는 핵에 있는 protons(양성자)와 neutrons(중성자)를 구성하는 quarks(쿼크)에 대해서 더 많은 이해가 필요로 한다.

쿼크는 전자기적 차지를 가지고 있으며, 그들은 또한 대체적으로 다른 종류의 차지를 가지고

있으며 이것을 소위 color charge(컬러차지)라고 부른다. 이 컬러차지 입자들 사이의 힘은 매우

하다. 그래서 이 힘을 창조적으로 Strong 이라 불리어 진다.

이 강력(strong force)은 하드론을 형성하기 위해서 이들 쿼크들은 결합시킨다. 그래서 그것의

반하는 입자들을 묘하게 gluons(글루온)이라고 부른다. 왜내하면 그들은 매우 강하게 쿼크들은

붙이기 때문이다.(또다른 이름 :“hold-on" , "duct-tape-it-on" " tie-it-on" )

컬러 차지는 전자기력 차지와는 다르게 행동을 한다. 글루온은 그들 스스로가 컬러 차지를 가지며

이것은 불가사의 하다. 또한 이것은 포톤과 달리 전자기적 차지를 가지지 않는다. 그리고 모든

크들은 컬러 차지를 가지며 쿼크로 구성되어진 입자들은 전체적으로 컬러차지를 가지지 않는다.(그들은 컬러 중성이다.) 이러한 이유 때문에, 강력은 실질적으로 쿼크의 상호작용과 같은 작은

벨에서만 나타나진다. 이것이 당신의 모든 삶에서 강력에 대해 의식하지 못하는지에 대한 이유

다.

8. 컬러 차지                                                                      (권대영)


쿼크와 글루온은 컬러차지 입자이다. 마치 전기적인 차지를 띤 입자들이 전자기적 상호작용에서

톤을 서로 교환함으로써 상호 작용을 하는것과 같이 컬러 차지로 된 입자들은 강력의 상호작용에

글루온을 서로 교환한다. 두 쿼들이 서로에 가까이 있을때 그들은 글루온을 서로 교환하며 매우

한 color force field를 만든다. 이 color force field는 쿼크들을 결합시킨다. 이힘의 장은

크들이 서로 멀어질때 더욱 강해진다. 쿼크들은 그들이 다른 쿼크들과 글루온을 교환할 때 그들

컬러 차지들이 일정하게 변한다.

어떻게 컬러 차지들이 일을 할까?

세 가지 컬러 차지가 있으며 또한 상응하는 안티컬러차지(보색)가 있다. 각각의 쿼크들은 이 세가지중

한 컬러 차지를 가지다. 또한 각각의 안티쿼크들은 세가지 중 한가지의 안티컬러 차지를 가진다. 마치 빛의 영역에서 빨강, 녹색, 파랑을 혼합하면 백색광이듯이 베리온에서는 빨강, 녹색, 파랑 컬

차지드로 구성되어 있어 색이 중성을  띤다. 그리고 안티베리온에서는 안티빨강, 안티녹색, 안티블루로

구성되어져 있어 중성의 색을 띤다. 메존 또한 색이 없는데 이것은 그들의 결합이 마치 빨강과 안티빨강으로 운반하기 때문이다.

 

왜냐하면 글루온 방출과 흡수는 항상 색을 변화시킨다. 게다가 -색의 수는 보존되어진다. - 글루온은 컬러와 안티컬러 차지를 운반한다고 생각되어

질 수 있다. 9가지의 컬러와 안티컬러 사이의 조합이 가능하기 때문에 우리는 9개의 다른 글루온 차지를 기대할수 있다. 하지만 수학적 계산은

단지 8가지의 화합만이 있다는 결론은 낸다. 불행하게도 이 결과에 대한

직관적 설명은 없다.


 중요한 기권자


컬러차지는 볼 수 있는 색으로 행하는 것은 존재하지 않는다. 그것은 단지 물리학자들이 하드론에쿼크들에 대해 그들의 관찰을 설명하기 위해 발전시켜온 수학적 시스템대한 편리하게 이름짓는 규약일 뿐이다.

9. 쿼크의 국한                                                                   (권대영)


컬러 차지로 되어진 입자들은 개별적으로 발견되어지지 않는다. 이러한 이유로 인하여 컬러 차지로

쿼크들은 다른 쿼크들과 함께 그룹(하드론)으로 국한되어진다. 이 구성물들은 색의중성이다.

the Standard Model 에서의 강력 상호작용의 발전은 쿼크들이 결합하여 단지 베리온(세가의 쿼크로

된 물체)와 메존(쿼크와 안티쿼크로 된 물체)을 만든다라는 증거를 반영한다. 하지만 예를 들어 네 개의 쿼크로 된 물체는 없다. 지금 우리는 단지 베리온과 메존이 중성의 색을 띤다는 것만 이해

하고 있다. 중성 색을 띤 상태로 결합되어질수 없는 ud 혹은 uddd와 같은 입자들은 결코 관측할 수

없다. 


Color-Force Field

주어진 하드론에서 쿼크들은 madly(미친듯이)하게 글루온들을 서로 교환한다. 이런한 이유로 인하물리학자들은 color force field가 쿼크들을 묶어주는 글루온으로 구성되어져 있다라고 이야기 한다.


만약 주어진 하드론에서 쿼크들중 하나가 다른 쿼크들로부터 당겨지면, color-force field는 쿼크와 이웃하는 쿼크들 사이를 당긴다. 그렇게 함으로써 쿼크들이 서로서로를 잡아 당길때 에너지는 더욱더 많이 color-force field에 더해진다. 어느 순간에 color-force field에 대해서 새로운 쿼크-안티쿼크 쌍으로 분리되는 것이 에너지적으로 더욱 낮아진다. 그렇게 함으로써 에너지는 보존되어진다 왜냐하면 color-force field의 에너지가 새로운 쿼크의 질량으로 변화되기 때문이다. 그리고 color-force field는 느슨한 상태로 완화되어 돌아갈수 있다.

 

쿼크들은 개별적으로 발견되어질수 없다. 왜냐하면 쿼크들이 따로따로 잡아 당길 때  color force가 증가 하기 때문이다.

10. 쿼크(quark)들은 gluon을 방출한다.                                 (김정한)


Color charge는 항상 보존된다.


 쿼크가 gluon을 방출하거나 흡수할 때 퀘크의 color는 color charge가 보존되기 위해 변해야만 한다. 예를 들어, red 쿼크가 blue 쿼크로 변하고 red와 antiblue gluon(아래 그림은 antiblue를 yellow로 표현했다.)을 방출한다고 가정하자. 그러면 전체 color은 여전히 red이다. 이것은 gluon 방출 후 쿼크의 blue color와 gluon의 antiblue color와 서로 상쇄되기 때문이다. 그러면 남은 color는 gluon의 red color이다.


 쿼크는 hadron 사이에서 gluon을 아주 빠르게 방출하고 흡수한다. 그래서 개개의 쿼크의 color를 관측할 방법이 없다. 또한 hadron 안에서 gluon을 교환하는 두 쿼크의 color는 color-중성 상태로 결합된 계를 유지하면서 변화할 것이다.























11. 나머지의 강력(Residual Strong Force)                            (김정한)


 우리는 지금 쿼크들이 color charge를 가지고 있기 때문에 강력(strong force)이 그 쿼크들은 묶어주고 있다는 것을 안다. 그러나 여전히 무엇이 핵을 서로 묶어주고 있는지 설명하지 못한다.

왜냐하면 양의 양성자들이 전자기력에 의해 다른 양성자를 밀어내고 있고 양성자와 중성자는 color-중성이기 때문이다.


  그래서 무엇이 핵을 묶는가? 하~?


 간단히 말해서 그것의 답은 그들은 그것을 강력이라 부른다. 하나의 양성자의 쿼크와 다른 양성자의 쿼크 사이의 강력은 둘사이의 전자기력적 척력은 압도할만큼 아주 세다.


  이것을 나머지의 강 상호작용(residual strong interation)이라 부른다. 그리고 그것이 핵을 서로 묶여있게 하는 것이다.

 


















12. 약력                                                                            (김명선)


 6종류의 쿼크와 렙톤이 있다. 그러나 우주의 모든 안정적인 물질은 단지두개의 적어도 무거운 쿼크(up쿼크 와 down쿼크)들과, 적어도 무거운 전하된 렙톤(electron)과 neutrion들로 구성된것처럼 보인다.

약한 상호작용들은 무거운 쿼크와 렙톤들이 가벼운 쿼크와 렙톤으로 붕괴하는 것에 대한 책임이 있다. 기본입자들이 붕괴할 때, 그것은 매우 이상하다 : 우리는 입자가 소멸하고 두개이상의 다른 입자들대체되는 것을 관찰한다. 비록 질량과 에너지의 전체가 보존되지만, 기본입자 질량의 몇몇은 운동에너지로 변하고, 그 결과의 입자들은 항상 방출된 근본입자들보다 덜 적은 질량을 가지게 된다.

 우리 주위에서 안정적인 유일한 물질은 가장 작은 쿼크와 렙톤들로 이루어져있다. 이것들은 더 이상 소멸하지 않는다.

  하나의 쿼크와 렙톤이 어떤 형태(예를 들면 뮤온은 전자로 변하는 것)로 변할때,    그것을 flavor로 변하였다고 말한다. 모든 flavor의 변화들은 약한 상호작용에

  기인한다.

  약한 상호작용의 전달입자들은 W+, W-, Z 입자들이다. W'입자는 전기적으로 전하

  띠고 있고 Z입자는 중성이다.


  기본모형(The Standard Model)은 전자기적 상호작용과 약한 상호작용으로 인하

하나로 결합되어 있고 이러한 상호작용을 약전자기력이라고 부른다. 



flavor

  쿼크들 각각은 다른 flavor를 가진다. 이것은 단지 6개 형태의 쿼크들을 구별

 하기 위해서 물리학자들이 사용하는 용어이다. 예를들면, up쿼크의 flavor는

 간단히 “up"이다.

전하된 약한 상호작용은 한 입자의 flavor를 변하게 할수 있다! 그리고 단지

 전하된 약한 상호작용만이 이것을 할수 있다. 중성적인 Z입자를 연관하는 약한

 상호작용은 한 입자의 flavor를 변하게 할 수 없다.

 렙톤역시 flavor를 가진다. 게다가 그들은 앞서 언급된 바처럼 electron 수,

 muon 수, tau 수를 가지고 있다. 렙톤 flavor가 약 상호작용에 의해 변하게

는 동안 그 과정은 electron, muon, tau수는 보존된다.






13. 전자기약력                                                                   (심규한)

 

표준모델에서 약력과 전자기력은 통합된 electroweak이론으로 묶인다.

물리학자들은 오랫동안 약력과 전자기력이 가까이 관계한다고 믿었다.

결국 그들은 전자기와 비교해서 약력의 세기의 아주짧은 거리(약10^-18M)를 발견했다.

반면에, 약력의 30배의거리(3*10^-17M)의 세기는 전자기력의 1/10000배이다.

프로톤과 뉴트론안의 쿼크에 대한  전형적 거리에서 힘은 더 작아진다.


물리학자들은 약력과 전자기력은 본질적으로 같은 세기라고 결론 지웠다.

이것은 왜냐하면 작용의 세기는 힘 운반체의 질량과 작용의 거리에 강하게 의존하때문이다. 그들의 세기의 차이점은 아주 무거운 W과Z입자와 우리가 알고 있는 질량이 없는 포톤과의 큰 무개차에 기인한다.


























14. 중력                                                                            (정덕용)

아직 우리가 graviton을 관측한 적이 없다는 사실은 표준모델에 있어 놀랄만

사실이 아니다. 왜냐하면 graviton 이 극도로 약한 상호작용을 하기에 거의

생산되지고 검출되지도 않기 때문이다.

역학에서의 뉴턴의 이론이 잘못된 것이 아니라 아인슈타인에 의해 고속인 경

더 정확한 것으로 확장된 것과 마찬가지로 우리는 중력은 철저하게 설명할

로운 이론으로 지금의 표준모델을 확장할 필요가 있다.






























15. 상호 작용 정리하기                                                       (정덕용)


각 각의 상호작용과 그것들의 힘 운반입자 그리고 그것들이 작용하는 입자들에 대한 요약이다.


어떤 기본 상호작용에 의한 것인가?


마찰력?

답: 마찰력은 두 물질의 원자 사이에 잔류 전자기 상호작용에 의해 발생한다.


핵 결합?

답: 핵 결합은 핵들의 다양한 부분들 사이에서의 잔류 강 상호작용에 의한 것이다.


행성궤도?

답; 행성궤도운동은 행성을 태양으로 당기는 힘에 기인한다. 비록 상대적으로 중력은 약한

것이지만 그것은 여전히 세상에 있어 매우 중요한 효과를 가진다.


다른 질문:


중성미자에는 어떤 상호작용이 작용하는가?

답: 약한 상호작용과 중력적 상호작용


어떤 상호작용이 무거운 운반자를 가지는가?

답;약한 상호작용(W+, W-, and Z)


당신의 몸속에 있는 양성자에 작용하는 상호작용은 어떤 상호작용인가?

답: 모든 상호작용


어떤 힘 운반자가 독립적으로 존재할 수 없는가? 왜?

답: Gluons, color charge를 가지기 때문이다.


어떤 힘 운반자가 관찰되어진 적이 없는가?

답: Gravitons(Gluons은 간접적으로 관찰되었다)


16. 양자역학                                                                      (정수민)


현대과학에서 놀라운 것 중의 하나는 원자와 부속 원자의 입자들이 일상생활에서 우리가 보는 것처

행동하지 않는 것이다.

그들은 튀는 작은 공이 아니라 그들은 파동의 성질을 가지고 있다. 표준 모델이론은 수학적으로

리가 보는 입자들의 모든 성질과 상호작용을 설명할 수 있다. 그러나 우리의 모든 직관은 미세한

세계를 보는 데 도움이 되지 않는다.


과학자들은 매우 작은 입자의 성질을 기술할 수 있는 작은 부이나 요소로 나눠져 있다는 의미를 가지 양자라는 단어를 사용한다. 이것은 단지 띄엄띄엄한 특정한 값을 가지기 때문이다. 예를 들면 우리는 단지 전하의 정수 배 값만을 가지는 전기 전하를 찾을 수 있을 것이다.(혹은 쿼크에서는 ,±)

양자역학은 입자의 상호작용을 기술한다.

입자들의 몇몇의 중요한 양자수:

전기전하: 쿼크는 혹은 ±의 전기전하를 가질 것이지만 그들은 단지 정수의 전기 전하를 지

입자들을 형성한다.

쿼크가 아닌 모든 입자들은 전기전하의 정수배를 가진다.

색 전하: 쿼크는 세 개의 색 전하중의 하나와 여덟 개의 색 전하 - 반 색 전하를 운반하는 글루온

운반한다. 모든 다른 입자들은 색 이 중성이다.

맛: 맛은 다른 하나로부터 쿼크((up, down. strange. charm. top. bottom )그리고 렙톤)로 구별된다.

스핀: 스핀은 중요한 물리적 양이지만 어렵다. 행성 또는 은하와 같은 큰 물체들은 그들의 스핀 문에 각운동량과 자기장을 만든다. 입자들은 그들 자신의 각운동량과 작은 자기 모우먼트를 가지는 것으로 나타났기 때문에 과학자들은 이 입자의 성질을 스핀이라 부른다. 입자들은 실제로 돌지 않기 때문에 이것은 잘 못 사용된 것이다. 스핀은 0,,1,…의 양 자화된 단위를 지닌다.











17. 파울리의 배타원리                                                         (심여정)


우리는 이런 양자적 입자들의 특성을 우리가 찾은 입자들을 분류하는데 사용할 수 있다.

일찍이, 물리학자들은 같은 시간, 같은 공간에 같은 양자수를 가지는 두 입자는 존재하지 않는다고 생각했다. 이것을 파울리 배타 원리라고 부르고 이것은 왜 화학이 있는지 설명한다.

그러나 입자들의 어떤 그룹들은 이 원리를 따르지 않는다는 것이 발견되었다. 파울리배타원리를 따르는 입자들은 페르미온이라 부르고, 그렇지 않은 것을 보존일라 부른다.

동일한 페르미온 족들의 대가족이 페르미온 모텔에서 밤을 묶는 것과, 동일한 보존 족들의 또 다른 대가족이 보존 여인숙에서 밤을 보내는 것을 상상해보라. 페르미온들은 말다툼하는 형제들처럼 행하고, 방을 공유하는 것을 거절할 뿐만 아니라, 방에서도 서로 가능한 떨어질 것을 고집한다. 반면에 보존 족들은 오히려 같은 방을 공유하는 것을 더 좋아한다. (페르미온 족들은 보존들보다 더 많은 방을 빌려야하기 때문에 모텔의 주인은 페르미온들과 일하는 것을 더 좋아할 것이다. 어떤 모텔들은 심지어 보존들에게 방을 빌려주는 것을 거절할 것이다.)

               











18. 페르미온과 보존                                                           (심여정)


 

페르미온은 홀수차 반정수(1/2. 3/2, 와 같은)의 스핀을 가지는 입자를 말한다. 쿼크들과 렙

들은 양성자와 정성자와 같은 대부분의 결합한

입자들은 물론 페르미온이다. 

우리가 충분히 이해하고 있지 못하기 때문에

홀수차 반정수 스핀의 결과는 페르미온들이

울리 배타원리에 복종하고, 그 결과로 같은

시각에 같은 위치에 같은 상태로 동시에 존재

할 수 없다.

 

보존들은 정수 스핀(0, 1, 2,...)을 가지는 입자

들이다. 모든 힘 매개 입자는 보존인데, 이것

페르미온 입자들을 짝수 개 가지는(메존들처럼)

이들의 결합된 입자들이 있는 것이다.

*

 The predicted graviton has a spin of 2.

 

원자의 핵자들은 그것의 양성자와 중성자의 총수가 각각 홀수냐 짝수이냐에 의해서 페르미온 또는 보존이다. 최근 물리학자들은 이것이 매우 차가운 헬륨과 같은 드문 환경 하에서 이상한 행동을 일으키게 한다는 것을 발견해왔다.






 19.명심해야 할 것들                                                          (심여정)












우리는 입자들의 상태(양자수들의 집합)가 어떻게 다른 입자들로 상호작용하여 영향을 주는 것인지

대해서도 의논해 왔다.


이것들은 기본 모델의 중요한 양상이다. 이것은 오늘날까지 기본 입자들과 상호작용들의 거의 완벽

설명이다.


이름들과 기술들은 단지 다는 물리이론들의 작은 부분일 뿐이다 ; 그 개념들은, 물리 용어라기보다,

비판적인 요소이다.


현대의 물리 교육 계획은 하나의 도표에 있는 기본 모델의 핵심적인 모습으로 요약되어왔다.

이 사이트는 이 도표의 일렉트로닉 버전을 포함하고 있다, 그러나 CPEP에서 당신만의 사본을 주문할 수도 있다.























4 입자의 분열과 소멸


























1.무엇이 분열일까?                                                             (황상훈)


표준화 모델에서는 왜 어떤 입자들은 다른 입자로 분괴하는지 설명한다.

핵이 분괴할 때 원자핵은 작은 핵들로 쪼개질 수 있다. 이것은 양성자와 중성자의 다발이 더 작은

양성자와 중성자의 다발로 나누어짐을 이해할 수 있다. 그러나 “기본적인“은 그들의 구성성분을

가지지 않는 의미이기 때문에, 기본적인 입자의 분열이  그것들을 구성하는  것으로 쪼개진다는 의

라고는 할 수 없다. 여기에서 입자들의 분열은 다른 기본적인 입자로 기본적인 입자들이 변형되는

것을 주목해라. 최종 산물이 처음 입자의 조각이 아니고 완전히 새로운 입자이기 때문에 분열의 형태가

이상하다.



          핵분열                        입자 분열

                   




 이번 장에서 우리는 분열의 형태와 어떻게 그들이 일어나는지 그리고 분열이 일어날지 일어나지 않을지의 상황이 무엇인지에 대해서 논의 할 것이다.


















2. 방사능                                                                          (황상훈)


1800년대 후반 독일의 물리학자 빌헬름 뢴트겐은 전자빔이 금속의 조각에  부딪칠 때 생성되는

상한 새로운 광선을 발견하였다. 자연에 알려지지 않은 광선이기 때문에 그는 그 광선을 "x-ray"

라고 불렀다.

                             


이 발견의 두 달 후 프랑스의 물리학자 헨리 베크렐은 형광을 공부하다 사진의 감광판을 검은 종이

감쌌지만 사진의 감광판이 어떤 조금의 금속에 의해 노출되었음을 발견했다. 베크렐은 우라늄을 포함한

금속들은 어떠한 에너지의 받음이 없이도 에너지를 가진 광선을 발산하는 것을 알아 차렸다.

베크렐의 실험은 특정한 원소가 에너지를 가진 x-ray를 방출하는 것에

원인이 되는 어떤 자연계의 과정이 있음을 보여준다. 이것은 어떤 원

가 자발적으로 다른 형태의 에너지를 내어 놓기 때문에 어떠한 원소는

선천적으로 불안한 것을 나타낸다. 원소의 불안한 핵자의 분열에 의해

에너지를 가진 입자를 내어놓는 것을 방사능 이라고 부른다.

               




















3. 방사성의 입자들                                                             (황상훈)


과학자들은 최후에는 여러 가지 다른 방사의 형태와 방사성의 분열로부터의 결과의 입자에 대해서

확인할 것이다. 그 후 방사의 3가지 형태는 그리스 알파벳의 첫 번째 3가지 문자(alpha, beta,

gamma)로 이름 지어졌다.


알파 입자는 헬륨의 핵자이다. (2 p, 2 n)  :  


베타 입자는 빠른 전자이다. :


감마 방사선은 높은 에너지의 광자이다. :



이들 3가지 방사선의 형태는 자기장에 의해서 구별할 수 있는

양전하를 띤 알파 입자가 한 가지 방향으로 휘어진다면 음전하

띤 베타 입자는 반대방향으로 휘고 전지적으로 중성인 감마

사선은 휘지 않는다.

 알파 입자는 종이 한 장에 의해, 베타 입자는 알루미늄에 의해,

감마선은 납 벽돌에 의해서 멈출 수 있다. 그리고 비록 방사능

모든 형태들이 매우 위험하지만 방사능 물질들로 일을 할 때

가장 위험한 것은 감마 방사능이다. 불행히도, 방사능의 위험

알기까지 많은 세월을 보내어 왔다.

4.  붕괴에 관한 혼란스러운 사실들                                      (이상용)


많은 무거운 원자들은 더 단순한 것들로 붕괴한다. 그러나 이러한 붕괴를 엄밀히 관측해 보면 몇

가지 혼돈스러운 문제가 나타난다.


 우라늄-238의 붕괴를 생각해보자.



사십 사억 육천만년이 지나서 혹은 몇 일만에 절반이 사라져 버릴 수 도 있는 우라늄-238 한 덩어리는 일정한 비율로 붕괴한다. 그러나 우라늄 원자가 언제 붕괴할지 구별할 알 수 있는 방법은 없다. 우라늄 원자는 지금으로부터 5분 후에 붕괴할 수 도 있다. 아니면 붕괴하는데 10억년이 걸릴 수 도 있다. 왜 원자의 붕괴는 확률에 따를까?

  

 우라늄-238의 질량은 238.0502u(원자 질량 단위)이다. 그것은 토리늄  (234.0346u)과 알파입자(4.0026u)로 붕괴한다. 그러나 우라늄의 질량에서

 토리늄과 알파입자의 질량을 빼면 0.0046u의 질량이 사라졌다는 것을 알

 수 있다. 왜 질량이 사라진 것일까?

5. 핵의 특성 살펴보기                                                         (이상용)


 우리는 곧 이 질문에 대답할 것이다. 그러나 먼저 핵과 양자역학의 특성을

알아볼 필요가 있다.

양성자는 양의 전하를 띄고 전기적으로 서로서로에게 반발한다. 핵은 핵의 모든

부분에 영향을 미치는 글루온 입자들에 의해서 붙어있지 않다면 떨어져 버릴 것

이다. 이처럼 양성자를 붙어 있게 해주는 힘을 겉보기  강력이라고 한다.

핵을 전기적 반발력을 띄는 빽빽하게 감은 코일로 만들어진 스프링이라고 간주하

겉보기 강력을 나타내는 매우 큰 줄로 둘러싸자. 비록 스프링에 많은 에너지가

저장되어 있을 지라도, 줄이 너무 세게 감고 있기 때문에 스프링은 쉽게 에너지를 내놓지 못한다.


6. 일어날 수 있으면 일어날 것이다                                      (이상용)


 아원자 입자(subatomic particles)는 일상의 물체들처럼 행동하지 않는다. 우리는 입자가 무엇을

할 것인지, 무엇을 할 수 있을지 정확하게 말할 수 없다. 입자들은 우리가 매일 보는 물체처럼

변을 회전하며 운동량을 가진다. 그러나 입자는 또한 파동적인 특성도 가지고 있다. 입자에 대한 

이론의 수학적 기초인 양자 역학은 확률과 관련지어서 입자의 행동을 설명한다.


 입자들은 파동처럼 행동하기 때문에 그들의 위치와 운동량을 동시에

 아는 것은 불가능하다. 입자를 구와 같은 점으로 간주하는 것이 더

 쉽지만 이것은 잘못된 설명 방식이다. 왜냐하면 입자는 당신이 입자

를 가장 잘 발견할 수 있는 흐릿한 영역으로 간주하는 것이 더 낮기 때문이다.


  양성자와 중성자는 핵 안에서 주변을 움직인다. 양성자2개와 중성자

2개의 덩어리가 어느 순간에 실제로 핵 바깥을  나갈 수 있는 매우 작

확률이 존재한다. 작은 핵보다 큰 핵에서 이러한 일이 일어날 확률이

크다. 

  그 때 알파 입자는 알파 입자를 핵 내부로 끌어당기는

  겉보기 강력으로부터 자유로워진다. 그리고 당기다가

  갑자기 놓은 스프링처럼 대전된 알파 입자는 핵으로부터 자유롭게 이동할 것이다.

 

  “일어날 수 있다면, 일어날 것이다”라는 이러한 생각은 양자 역학에서 근본적이다. 짧은 시간

동안 핵들이 서로 떨어지는 것이 허용되는 상태가 존재하기 때문에 어떤 원자의 경우 방사성 붕괴

경험할 확률이 존재한다. 당신은 어떤 특수한 원자가 언제 붕괴할지 알 수 없지만 , 특정한 시간내

붕괴할 확률을 결정할 수 있다.

7. 반감기                                                                          (김인홍)


우라늄 한 덩어리는 그자체가 서서히 붕괴될 것이다. 동시에 핵들도 서서히 붕괴될 것이다.

붕괴 비율은 주어진 우라늄 원자가 붕괴한 뒤 반이 남는데 얼마나 오래 걸리

는지로 측정되어진다.

개개의 우라늄 핵들의 붕괴는 완전히 예측 불가능하지만, 하나의 큰 우라늄

덩어리가 붕괴하는 방향에 대해서는 정확히 예측할 수 있다.

우연이 물리학적인 특성들을 체계화 할 수 있다고 생각하면 혼란스러울 것이다.

이 이론에 대한 답으로 아인슈타인은

“신은 주사위 놀이를 하지 않는다!“

고 불평했다.(아인슈타인은 틀렸다.)


8. 질량손실                                                                       (김인홍)


 우리는 여전히 그 질문에 대한 답이 필요하다, 방사능붕괴가 진행될 때 감소된 질량은 어디로 가

것인가? 우라늄이 토륨과 알파 입자로 붕괴할 때, 0.0046u의 질량을 잃은 것으로 나타나는 것을

올려라.


  아인슈타인은 말했었다,


우라늄 핵이 방사능 붕괴를 할때, 그것들의 질량의 얼마정도는 운동에너지(움직이는 입자의 에너지)

로 바뀐다.

이 에너지 보존은 질량의 감소로서 관측된다.

9. 입자붕괴의 매개자                                                          (권대영)


원자의 핵이 부분적으로 나누어 지므로써 더 작은 질량으로 붕괴할수 있는동안 어떻게 기본입자들

다른 기본 입자들로 붕괴되어 질 수 있는가? 기본 입자는 더 이상 쪼개어 질 수 없다. 왜냐하면 그들은 구성물이 없다. 하지만 그들은 다른 입자들로 변한다.

 그것은 증명이 되어졌다. 즉 기본 입자들이 붕괴되어질 때, 그것은 작은 질량의 입자와 force carrier로 변한다. (기본 입자의 붕괴에는 항상 W보존 연관) 이 force carrier들은 다른 입자들로 다시 나타난다. 그래서 한 입자는 단지 다른 입자의 형태로 변하지는 않는다. : 입자의 붕괴 시 중간역할을 하는 force carrier 입자라는 중간체가 있다.

많은 경우 , 일시적으로 force carrier 입자가 에너지 보존을 위해 하는 것 처럼 보인다. 왜냐하면 그들의 질량이 반응에서 유용한 에너지보다 훨씬 크기 때문이다. 그러나. 이 입자들은 매우 간단히 이 입자의 존재를 설명할 수 있다. 그것은 하이젠 버그의 불확정설 때문에 그 에너지 보존의 법칙은 깨지지 않는다. 이것을 소위 가상 입자라 부른다.


불확정성 원리


1927년 Werner-Heisenberg는 입자의 위치와 운동량을 정확학게 측정할 수 없음고 발표하였다. 더 정확하게 말하면, 우리가 하나를 결정하면, 우리가 다른 것에 대해 알고 있는것이 줄어 든다. 이것을 소위 하이젠베르그의 불확정성 원리라고 부른다. 그리고 그것은 양자역학의 기본적인 성질이다.

정확한 관계는

이다.

이 상수는 플랑크 상수이다. : 플랑크 상수는 h-bar()로 재표현한다. 그리고 와 같다.

입자의 위치를 측정하는 행동은 당신이 아는 운동량의 지식에 영향을 미칠 것이다. 반대의 경우도 같다.

우리는 또한 이 원리를 에너지와 시간의 관계에도 표한한다.

이것은 만약 입자가 매우 간단한 시간동안 존재한다면, 당신은 정확하게 입자의 에너지를 결정할 수가 없다는 것을 의미한다. 짧은 생명을 가진 입자는 불확실하게 엄청나게 많은 에너지를 가질 수 있다. 이것이 가상 입자의 생각을 유도했다.



10. 가상입자                                                                      (권대영)


입자들은 force carrier 입자를 통해서 붕괴한다. 하지만 몇 가지의 경우 한입자는 초기 입자가

가지고 있던 질량보다 더 큰 force carrier 입자를 통해서 붕괴한다. 이 중간채 입자는 즉시 낮은

질량의 입자들로 전환한다. 이 짧은 생명을 가진 높은 질량의 force carrier 입자는 에너지 보존의

법칙을 위배하는 것처럼 보이며, 질량과 그들의 질량은 마치 아무것도 없는 곳에서 나와 질 수는

없다.

하이젠베르그의 불확정성 원리의 결과를 보면 만약 그들이 믿을 수 없을 만큼 짧은 생명을 지녔다

이 높은 질량의 입자는 나와 질 수 있다.

가상 입자는 에너지 보조의 법칙을 위배하지 않는다. 운동에너지 더하기 초기 붕괴하는 입자의 질량과 마지막에 붕괴하는 질량은 같다. 가상 입자는 짧은 시간동안 존재하며, 그들은 결코 관찰 되지

않는다.

대부분의 입자 과정에서 가상 carrier 입자들에 의해서 매개 되어진다. 예로는 뉴트론 베타 붕괴, 참 입자의 생성, 에타 C 입자의 붕괴, 그리고 우리가 오지에서  경험하는 모든 것이들 포함되어진다.

11. 다른 상호작용들                                                           (김명선)


강력, 전자기력, 약력 상호작용 모두 입자 붕괴들에 원인이 있다. 그러나, 유일하게 약력 상호작용은 기본입자들의 붕괴에 원인을 둘 수 있다.


 약 붕괴들

유일하게 약력 상호작용은 기본입자를 다른 형태의 입자로 바꿀 수 있다. 물리학자들은 이것을 “flavor”라고 부른다. 약력 상호작용은 가상의 W보존이 나오는 동안에 charm쿼크를 strange쿼크로 바꿀수 있다. (charm과 strange는 flavor이다.). 유일하게 약력 상호작용은(반 W 보존) flavor를 변하게 하는것과 기본입자의 붕괴를 승인할 수 있다.


 전자기 붕괴들

 (중성 파이온)은 형태의 중간자(meson)이다. 쿼크와 반쿼크는 두개의 photon에서 오는 쌍소멸로부터 쌍소멸 시킬 수 있다. 이것은 전자기 붕괴의 하나의 예이다.


 강 붕괴들

 입자는 형태의 중간자(meson)이다. 이것은 두개의 글루온(하드론으로부터 나오는 것)으로 강붕괴를 견딜수 있다.


강 힘 전달 입자인 글루온(gluon)은 붕괴들을 칼라전하들로 연계하여 중개한다. 약 힘 전달 입자인 W+, W-은 입자들이 flavor(그리고 전기적 전하)를 변하게 하는 붕괴들을 중개한다.

12. 쌍소멸                                                                         (김정한)

  

쌍소멸은 붕괴와는 다른 원인이 있다. 그러나 그것은 가상의 입자들을 통해서 잘 일어난다. 쌍소멸에서 입자와 반입자는 완벽하게 에너지로 쌍소멸한다.

 

 그들은 서로에서 상호작용해서 그것들은 이전에 존재했던 에너지가 활동적인 force carrier particle(글루온, W/Z 또는 빛)으로 바뀐다. force carrier particle은 또다시 다른 입자들로 바뀐다.


꽤 자주 물리학자들은 새롭고 질량이 큰 입자들을 만들기 위해 두 입자를 아주 큰 에너지로 쌍소멸 시킬 것이다.

13. Bubble Chamber와 붕괴                                                  (김정한)


  이것은 (정지해 있는) 양성자(proton)에 부딪쳐 쌍소멸되고 있는 (아래 그림의 아래에서 올라오고 있는) 반양성자(antiproton)의 실제 bubble chamber 사진이다. 이 쌍소멸에서 8개의 파이온()들이 생겨난다. 하나는 로 붕괴한다. 양의 파이온과 음의 파이온들의 경로는 자기장에의해 양의 방향으로 휜고 중성인 는 흔적을 남기지 않는다.


Bubble chamber는 검출기의 오래된 형태이다. 전하가 있는 입자들이 bubble chamber를 통해 지나감으로써 그것들은 작은 거품의 자국을 남긴다. 작은 물방울은 입자들의 흔적을 쉽게 만들게 한다.

우리는 붕괴와 소멸에 대해 많이 이야기 한다. 그래서 지금 이 과정의 몇가지 예들을 봐라.

14. 중성자와 베타붕괴                                                         (김정한)


  

하나의 중성자(uud)는 양성자(uud)와 전자, 반중성미자로 붕괴한다. 이것을 베타붕괴라 한다.(베타선이란 단어는 처음에 그것들이 전자인지 몰랐기 때문에 핵붕괴에서의 전자들에 대해 사용되어졌다.)



Frame 1 : 중성자(전하량=0)은 up, down, down 쿽크들로 이루어졌다.

Frame 2 : down 쿼크의 하나는 up 쿼크로 바뀐다. down 쿼크는 1/3의 전하량을 가지고 up 쿼크는

  2/3의 전하량을 가지므로 이 과정은 가상의 입자에 의해 중계되어진다고 생각할 수 있다.

  그리고 는 항상 (-1)의 전하량은 가지고 있다.(그래서 전하량이 보존된다.

Frame 3 : 새로운 up 쿼크는 는 방출하고 그 상태로 놓여지고 중성자는 양성자가 된다.


 

 

 


Frame 4 : 전자와 반중성미자는 가상의 중간자에서 나온다.

Frame 5 : 양성자 전자 반중성미자는 한 점에서 다른 방향으로 움직인다.


이 과정은 중간상태는 10억분의 10억분의 10억분의 1초만에 일어나고 관측되지 않는다.

15. 전자/양전자 붕괴                                                          (김명선)


전자와 양전자가 높은 에너지에서 충돌할때, 그들은 charm쿼크들(그 때 D+, D-인 메존들)을 생성하기 위해 소멸할수 있다.

프레임 1 : 전자와 양전자가 정해진 숙명에 따라서 급격히 접근한다.

프레임 2 : 엄청난 에너지를 방출하면서, 그들은 충돌하고 소멸한다.

프레임 3 : 전자와 양전자는 중성자나 Z 입자로 소멸하고, 그 두 입자모두 가상의 힘운반 입자가

             될지 모른다.

프레임 4  : charm 쿼크와  charm 반쿼크는 가상의 힘운반 입자들로부터 나타난다.

프레임 5 : 그들 사이에서 칼라력장(글루온장)을 뻗으면서 서로 떨어지기 시작한다.

프레임 6 : 쿼크들은 서로 떨어지고, 그들의 힘장을 뒤덮는다.

프레임 7 : 그 힘장에서 에너지는 쿼크들 사이에서 분리될수록 증가한다. 힘장에서 충분한 에너

             될 때, 그 에너지는 하나의 쿼크와 반쿼크로 전향하게 된다.

프레임 8 : 쿼크들은 뚜렷하고 칼라가 중성인 입자들로 분리된다. : D+(하나의 charm과 반down

             쿼크)와 D-(anti-charm 와 down 쿼크) 인 메존들이다.

 이 과정의 중간 단계는 약 10억분의 1의 10억분의 1의 10억분의 1의 초동안 발생하여 관찰할 수가 없다.

16. top 생산물                                                                   (김명선)


높은 에너지에서 충돌하는 하나의 쿼크(양성자내에서부터의)와 하나의 반쿼크(반중성자로부터)는 top쿼크와 top반쿼크를 생성하면서 소멸할수 있다. 이것은 그런후에 다른 입자들로 붕괴한다.



프레임 1 : 양성자의 쿼크들중 하나와 반양성자의 쿼크들중 하나는 충돌하러 맞닿아간다.

프레임 2 : 쿼크와 반쿼크는 충돌하고 소멸한다.

프레임 3 : 가상의 글루온속에서..

프레임 4 : top과 antitop 쿼크는 글루온 연무속에서부터 발생한다.

프레임 5 : 이러한 쿼크들은 서로 떨어지기 시작하고, 그들 사이에서 칼라 힘장(글루온장)으로

             뻗어나아간다.



프레임 6 : top쿼크와 반쿼크가 매우 멀리 떨어지기 전에, W 힘운반 입자들의 방출하면서 그들은                서로 bottom과 antibottom 쿼크(상대적으로) 들로 붕괴한다.

프레임 7 : 새로운 bottom 쿼크와 antibottom 쿼크는 방출된 W 힘운반입자들에 되튀기게 된다.



프레임 8 : 하나의 전자와 중성미자는 가성의 W-보존에서 나타나고, 하나의 쿼크와 down 반쿼크는               가상의 W+보존에서 나타난다.

프레임 9 : bottom쿼크와 bottom반쿼크, 전자, 중성미자, up쿼크, down쿼크 모두 다른 것으로 멀어               진다.


 이그림에서 무엇이 잘못되었는가?

우리는 칼라힘장을 무시하였다. 이것은 b쿼크와 b반쿼크가 서로 떨어질때 조성되는 것이다. 이 에너지는 다른 쿼크/반쿼크의 쌍으로 전향되고, 결국 단지 명확하고, 칼라가 중성인 입자들이 나타난다.(b메존들). 동시에 u쿼크와 d반쿼크에 대해서도 사실이다. 정말로 무엇이 일어나는지를 보는 것은  "e+ + e-  --> D+ + D-"의 그림에서 유사한 과정을 보는것이다.


이 과정의 중간 단계는 약 10억분의 1의 10억분의 1의 10억분의 1의 초동안 발생하여 관찰할 수가 없다.











5 풀리지 않은 신비


























1. Standard Model 저편에...                                                 (정덕용)


 Standard Model 은 여섯 개의 쿼크와 렙톤 그리고 네 가지 힘으로 물질의 구조와 안정성에 대한 문제에 대해 많은 해답을 주고 있다. 그러나 Standard Model 은 완전하지 못하다: 풀지 못한 많은 문제들이 있다.


 만약 우리가 믿는 대로 우주에 물질과 반물질의 대칭성이 존재한다면 왜 반물질은 거의 관측되지 않고 물질만 관측되는가?


 우주에 보여지는 중력적 효과를 나타나게 하는 우리가 볼 수 없는 "dark matter" 는 무엇인가?


 왜  Standard Model은 입자의 질량을 예측하지 못 하는가?


  정말로 쿼크와 렙톤이 근원 입자인가, 혹시 더 근원적인 입자로 만들어진 것은 아닌가?           


왜 쿼크와 렙톤은 정확히 세 개의 세대로 되어있나?

어떻게 중력이 이 모든 것에 들어맞을 수 있는가?

2. 이론으로서의  Standard Model                                         (정덕용)


Standard Model이 실험적으로 관측되는 현상을 잘 묘사하고는 있지만 아직 완벽하지 못한 이론이다.


문제는  Standard Model이 왜 어떤 입자들이 그렇게 존재해야하는지를 설명하지 못한다는 것이다.


한 예로, 비록 물리학자들이 오랫동안 탑 쿼크는 제외하고 모든 쿼크의 질량을 알았다고 하더라도, 그들은  Standard Model이 입자 질량의 가능한 규칙성에 대해 예측을 하지 못함으로 인해 탑쿼크의 질량을 실험적 근거가 없이는 정확히 예측할 수가 없었다.


이것은  Standard Model이 잘못되었음을 의미하는가?


아니다. 아인슈타인의 상대성이론이 뉴턴의 역학에 대한 법칙을 확장했던 것처럼 우리는 Standard Model 이 확장되어 나갈 것을 필요로 한다.

 

뉴턴의 역학 법칙이 잘못된 것이 아니라 그것은 빛의 속도보다 훨씬 작은 범위 내에서 잘 들어맞는 것이다. 아인슈타인은 뉴턴물리를 상대성이론으로 확장하였으며 그것은 빠른 속도범위에서의 예측 가능성을 열어 주었다.

 

우리는 질량, 중력 그리고 다른 현상들을 철저히 규명하기 위해 전적으로 새로운 어떤 것으로써  Standard Model을 확장해야할 필요가 있을 것이다.

3. 세 개의 세대                                                                 (정덕용)

쿼크와 렙톤에 대한 세 가지 부류가 있다.

 

이러한 입자들의 각 각의 부류는 세대, 혹은 계열이라 불려진다.


업/다운 쿼크는 1세대 쿼크이고 전자와 전자의 뉴트리노는 1세대

렙톤이다.


왜 물질에 대해서 정확히 세 가지 세대가 존재하는가?


세대가 높아질수록 질량이 증가하고 높은 세대의 입자들은 낮은 세대

입자들로 붕괴하는 경향을 가진다.

 

세상 속에서 우리는 오로지 1세대 입자만을 관측할 수 있다.(전자들과 업/다운 쿼크)


왜 자연을 다른 두 개의 세대까지 필요로 하는 건지 그리고 왜 정확히 세 개의 세대가 존재하는 건지 우리는 모른다.


4. 질량에 대해서는 어떠한가?                                              (정덕용)


 Standard Model은 입자가 정확히 왜 그 질량을 가져야하는지 설명

하지 못한다.


한 예로, 포톤과 W입자는 둘 다  힘운반자이다; 왜 포톤은 질량이

없고 W 입자는 큰 질량을 가지는가?


물리학자들은 소위 힉스장이라고 불리는 존재에 대해 이론화해오고

있는데 이것은(힉스장),

이론적으로 다른 입자들에게 질량을 주기 위해 그들과 상호작용한다.


힉스장은 힉스보존이라는 입자를 필요로한다. 힉스보존은 아직 관측되어진 일이 없고 물리학자들은 열정적으로 지금 그것을 찾고 있는 중이다.

5. 대통일장 이론                                                                 (정덕용)

오늘날 입자물리학의 주요한 목적 중에 하나는 다양한 기초 힘들을 우주의

구성에 대한 좀 더 우아한 이해를 제공해줄 대통일장이론으로써 통합하는

것이다.


Standard Model에 있어서 그러한 단순화는 우리의 의문에 대한 답을 찾는데

도움을 줄지도 모르며 미래의 연구 분야에 대한 방향을 제시하는데 도움을

줄지도 모른다.


제임스 맥스웰은 그가 전기와 자기를 통합했을 때 이러한 통일작업에 큰 걸

을 내딛었다,

그리고 지금 물리학자들은 고에너지에 있어서 전자기력과 약력이 같은 힘으로서의 면모를

보인다는 것을 알고 있다.


제임스 맥스웰


For years, physicists have sought for and found unified theories.


1861-1865

James Maxwell, in a series of pages, described the interrelation of electric and magnetic fields thereby unifying them into electromagnetism. This led to the now-famous Maxwell's Equations.


1881-1884

Hertz demonstrated radio waves and established that radio waves and light are electromagnetic waves of different frequencies, as predicted by Maxwell's theory.


1967-1970

Glashow, Salam, and Weinberg proposed a theory that unifies electromagnetic and weak interactions.

They predicted the mass of the W boson which mediates weak processes such as beta decay and predicted a new type of weak interaction and its mediating particle the Z boson. Evidence for this new type of process was soon found. They also predicted the Higgs Boson.


1979

The Nobel Prize was awarded to Glashow, Salam, and Weinberg for their role in the development of the electroweak theory, four years before the discovery of the W and Z bosons!


1983

The W and Z bosons were finally discovered in 1983 by the UA-1 and UA-2 experiments at CERN. These discoveries dramatically confirmed the Standard Model. Detectors at today's accelerators have observed over 100,000 W's and millions of Z's.

6. 힘과 GUT                                                                       (심규한)


 물리 학자들은 강,약,전자기 상호작용이대 통일장으로 통합되길 바랬다. 몇몇의 통일장이 제안 되었으나 우리는 모든 이론들을 설명할수 있는 데이터가 필요하다.

만약 모든 상호작용의 대 통일이 가능하다면 우리가 보는 모든 상호 작용들은 같은 동합 상호작용의 다른 면들이다. 그러나 강,약,전자기 상호작용의 매우다른 세기와 효과는 어떻게 설명 할 것인가?

충분히 이상하게, 최근 데이터와 이론은 이 다양한 상호작용들이 높은 에너지에 영향을 받을때 한 힘으로 합병된다고 제안한다.


최근에 GUT는 프로톤 붕괴를 야기하는다른 힘 매개 입자를 제안한다. 이 붕괴는 매우 드문데 프로톤의 수명은 10E32년 보다 길다


7. Supersymmetry                                                                 (심규한)


 다른 기본적인 힘과 함께 중력을 통합하기 위해 시도하는 어떤 물리학자들은 노라운 예견을 했다. 매든 기본적 입자들은 무거운 힘 매개 입자 “shadow”를 가지고, 모든 힘 매개 입자들은 무거운 물질 입자“shadow”를 가진다. 이 물질입자와 힘 매개입자의 관계를 supersymmetry라 부른다. 예를들어 쿼크의 모든 타입은 스쿼크라는 입자 타입이 있을것이다.

  supersymmetry는 아직 발견되지 않았지만 CERN과 Fermilab에서는 supersymmetry 파트너 입자를 찿기 위해 노력중이다.

8. String 이론                                                                   (심규한)




 현대 물리는 양자 역학,상대성, 중력에 관한 좋은 이론을 가지고 있다.

그러나 이이론들은 같이 활용하지 못한다. 문제는 3차원 세계인 우리 일상에서 야기된다.

만약 우리가 3차원보다 높은 세계에 산다면  이문제들은 스스로 풀릴것이다.


현대 무리에서 최근 제안된 String Theory는 세싱은 원래의 3차원 세계와 매우작은 부가차원의 세가 있다고 제안한다. 입자들은 실이고 막이다. 맞다. 여분의 차원에서 막은 기묘하고 보기도 어렵다. 그러면 작은 차원은 무엇인가?























9. Extra dimensions                                                           (심규한)


String Theory와 다른 새로운 제안은 3차원 세계이상을 요구한다. 이 여분의 세계는 매우작고,

왜 우리는 그들을 볼수 없을까?


작은 차원이 어떻게 여분이 될까?


팽팽한 밧줄위에 곡예사와 벼룩을 생각해보자. 곡예사는 앞과 뒤로만 움직이지만 벼룩은 앞과 뒤뿐아니라 옆으로도 움직인다. 만약 벼룩이 한쪽 옆으로 계속 걷는다면 그것은 로프를 따라 처음 위치로 올 것이다. 그래서 곡예사는 일차원, 벼룩은 2차원을 가진다. 그러나 1차원은 작은 닫힌 고리이다.


그래서 곡예사는 더 마니 가지고 있을수 있지만 우리가 3차원의 세계만 보는 것처럼 1차원 이상은 못 본다. 여분의 차원은 정확히 보는 것은 불가능 하다. 왜냐하면 우리는 오작 3차원에서만 무엇을 볼 수 있기 때문이다.


10. 암흑물질                                                                      (정수민)


난해하고 어려운 생각을 할 준비?


우주의 대부분은 지구와 같은 물질의 유형으로 만들어져있지 않을지도 모른다.

우리는 중력 적 효과로 우리가 볼 수 없는 물질의 유형인 암흑물질을 추측한다.

암흑물질이  양성자. 중성자. 전자로 이루어져 있지 않을 것이라는 강력한 증거가 있다.


그렇다면 암흑물질이란 무엇일까?

우리는 알지 못한다. 아마도 암흑물질은 뉴트리노 혹은 심지어 좀더 새로운 물질의 성분, 예를 들어 뉴트레일리노(이론적인 초대칭성 입자중의 하나) 같은 것들로 구성되어 있을 것 이다.












6 어떻게 알 수 있을까?


























1. 이론의 검증                                                                   (이상용)


 우리는 표준 모델의 여러 측면에 대해서 이야기해왔다. 그리고  작고 눈에 보이지 않은 이상한 이의 아원자  세계를 깊게 탐색해왔다. 이 모든 과학적인 이론들은 마술처럼 보일지도 모른다. 하지만 물리학자들은 단지 빈둥빈둥 놀고만 있는 것은 아니다. 그들이   이 이론들을 구성했다는 사실을 깨닫는 것이 중요하다. 물리학자들은 가설을 검증하고 실혐 결과로부터 새로운 이론을 만들어 낸다.


이론을 검증하기 위해서 물리학자들은 실험들을 종합하여 그들이 모르는 것들을 알기 위해서 이미 알려진 사실을 이용한다. 이 실험들은 단순할 수도 있지만 거대하거 복잡한 경우도 있다.


표준 모델은 수 천 년 동안의 과학적 탐색의 산물이지만 입자 물리학의 현재 개념에 원인이 되는 실험의 대부분은 상대적으로 최근에 수행되었다. 현대 입자 물리학에서 이론을 검증하고 이론은 창조하는 물리학적 실험 방법의 이야기는 100년도 채 안되어 시작되었다.


2. 원자 구조의 탐색                                                           (이상용)


1909년에 원자 구조의 유력한 이론은 원자 주변에 흩어진 전자들로 이루어진 걸쭉하고 반투과성의 공이었다. 이 이론은 물리적 세계에 대한 대부분의 실험에 잘 맞게 적용되었다.


그러나 세계가 작용하는 것처럼 보이는 방법뿐만 아니라, 그것이 어떻게 실제로 작용하는지 관심을 갖게 되었다. 그리고 1909녕에 어니스트 러더포드는 기존의 원자 이론의 유효성을 검증하기 위한 실험을 고안해 내었다. 그렇게 해서 물리학자들 현미경으로 볼 수 없었던 조그만 입자들을 볼 수 있는 최초의 실험을 완성했다.


러더포드 실험에서 스크린 앞에 세워진 매우 얇은 금박의 면에 알파 입자의 흐름을 쏘았다.알파 입자는 스크린을 때릴 때 빛을 거의 내지 않는다.


알파 입자는 매우 얇은 금박을 곧바로 통과할 것이며 그것들의 흔적은 스크린 상에 조그만 덩어리를 만들 것이라 예상되었다.


















3. 러더포드의 결과                                                             (이상용)


만약 원자가 투과성이 있고 중성인 공이라면 알파 입자는 단지 금박을 통과하여 스크린 뒷면을 때릴 것이다. 그러나 놀랍게도 알파 입자중의 몇 개가 금박쪽으로 큰 각도로 편향되었으며 심지어 금박앞에 있는 스크린을 때리기도 했다. 분명히 어떤 다른 설명이 필요했다.


 



4. 러더퍼드의 분석                                                             (황상훈)

명백히 알파입자들의 몇몇은 사실상 빗겨나가게 했기 때문에, 러더퍼드는 알파 입자를 튀어 나가게 하기 위한 원자의 내부에 작고, 밀집되어있고, 양전하를 뛰는(핵자)  무엇인가가 있다고 결론을 내렸다.

5. 러더퍼드의 분석                                                             (황상훈)


 러더퍼드의 실험은 입자물리학 실험의 범위를 넓혔다. 실제로, 오늘날 대부분의 입자 물리 실험은 러더퍼드가 했단 같은 기본적인 요소를 사용한다.


광선 (이 경우, 알파 입자)

타겟 (금박의 원자)

검출기(아연 황화물 스크린)


여기에 더해, 러더퍼드는 입자 beam을 사용하는 것에 의해 원자를 구성하는 분야를 “본다”는 것확립했다, 그리고 오늘날의 입자물리학자들이 종종 그들이 찾은 결과의 직관으로부터의 실제 자연의 입자와 상호작용의 추론은 그의 실험을 따른다. 


6. 편향 탐사                                                                      (황상훈)

스스로 해봐라! 그림에 따르면, 검은 구름에 의해 타겟이 숨어져 있다. 타겟의 모양을 그리기 위해서는, 우리는 이 구름에 어떠한 광선을 쏘고 나오는 광선을 기록했다. 당신은 타겟의 모양을 그려낼 수 있겠는가? 당신이 예상했던 것과 실제의 답을 비교하기 위해 “Look At Answers”의 버튼을 클릭 해봐라.

        

  

첫 번째 타겟:

                    삼각모양

 


두 번째 타겟:

                      원모양

 











7 어떻게 우리는 무엇이

일어나는지 검출하는가?
























1. 검출의 세계                                                                   (황상훈)


 광원/타겟/검출의 도식으로 가장 잘 알려져 있는 예를 보자: 우리의 세계를 지각하는 방법.


우리들이 “빛”이라고 생각하는 것은 실제로는 수 조에서 수 백조의 “광자”라고 부르는 입자들로 이루어져있다. 모든 입자와 같이 광자는 파동적인 성질을 가지고 있다. 이런 이유 때문에, 광자는 부딪힌 물질과 상호작용 하기 때문에 광자는 물리적인 것에 대한 정보를 나른다.


예를 들면, 전구가 당신 뒤에, 당신과 테니스공의 당신의 앞에 있다고 상상해라. 광자들은 전구(광원)로 부터 여행하고, 테니스공(타겟)에 부딪히고, 그 광자는 당신의 눈(검출기)을 때릴 때, 당신은 광자가 왔던 방향으로부터 둥근 물체가 당신 앞에 있다고 추론한다. 더욱이, 그 물체가 녹색과 황갈색의 다른 광자 파장으로 이야기 할 수 있다. 

 

우리의 뇌는 정보를 분석하고, 우리의 마음에서 “테니스공”의 분별력을 만든다. 우리의 테니스공의 정신적인 모델은 우리들 주위를 기술하는 것을 돕는다.


우리들은 우리 세계를 지각하기 위해 주위를 튕겨 나오는 빛의 파장의 정보를 사용한다. 돌고래들박쥐처럼 다른 동물들은 소리의 파장을 발하고 검출한다. 사실상, 어떤 종류의 반사된 파장은 주위에 대한 정보를 얻기 위해 사용할 수 있다. 

2. 더 나은 현미경                                                              (김인홍)


 물리적인 세계를 관찰하기 위해 사용하는 파장에 있어 문제점은 사용하는 파장에 의해 이미지의 질이 제한되어 있다는 것이다.

우리의 눈은 500nm근처의 파장을 가진 가시광선에 맞춰져 있다. 그것은 파장 분해능의 문제에 대해 걱정할 필요가 없을 만큼 충분하다. 500nm 보다 더 넓은 영역의 사물을 보지 않기 때문이다.

그러나 가시광선의 파장은 너무 크기 때문에 세포보다 더 작은 어떤 것은 해석하기 힘들다.

고배율 아래 사물을 관찰하기 위해 더 작은 파장의 파동을 사용해야만 한다. 그것은 사람들이 바이러스같은 극미소적인 물체를 연구할 때 스캐닝 전자현미경을 사용하는 이유다. 그러나 최고로 좋은 스캐닝 전자 현미경도 단지 원자의 희미한 상만 볼 수 있다.

3. 파장, 동굴                                                                    (김인홍)

 손전등 없이 동굴에 떨어질 만큼 불운하다고 가정하자. 그러나,

 어둠속에서 빛이나는 농구공 한 바구니를 가지고 있을 만큼 행운이

 있다고 하자. 갑자기 너는 코를 킁킁대는 소리를 듣는다. 그것은

 피에 굶주린 곰일까? 혹은 단지 너에게 실제로 장난을 치는 너의 친구들에

 지나지 않을까?





알아내기 위해 너는 필사적으로 농구공을 코를 킁킁거리는 소리가 난 방향으로 던지고, 그 농구공이 맞은곳을 기억한다. 그렇게 해서 너는 재빠르게 너의 앞에 있는 것의 윤곽을 그려낸다.


이크! 앞에 있는 물체에 맞고 팅겨나올때, 너의 농구공은 너무 크다. 너는 그것의 형체에 대해 넓고 키가 크다는 것을 배울 수 있다.


다행스럽게도, 너는 또한 어둠에서 빛나는 테니스공들이 있는 가방 하나를 가져왔다.

너는 이것들을 코를 킁킁거리는 소리가 나는 방향으로 던지고, 그에 따른 이미지를 받게 된다.

 흠.....썩 좋지 않다. 테니스 공 역시 공들이 때린 물체를 형태를 그려내기에는 너무 크다. 너는 단지 물체의 윤곽에 대해 거친 상만을 얻게 된다.


아하! 얼마나 행운인가! 너의 어둠에서 빛나는 구슬들이 있는 가방은 마술을 한다.

너는 이 작은 공들을 던진다. 그리고 물체의 형체에 대한 매우 깨끗한 상을 그려낼 수

있다. 그것은 크고, 굳은 살로 덮혔고 그리고 거대한 발톱을 가진 것처럼 보인다. 곰이다!

마지막이다, 하지만 기뻐해라, 너는 가장 작고 가능한 탐침을 사용하는 생각이 너의 운명에 관한 최고의 정보를 얻게 했다.


이 웹페이지에서 너에게 해를 주는 곰은 없다.




















4. 파장, 교훈                                                                    (김인홍)

 

앞의 이야기의 교훈은 :

• 배고픈 곰에게 물건을 던지지 마라

• 사물에 관한 제일 좋은 정보를 얻기 위해, 가장 작고 가능한 탐침을 사용해라 이다.



어떤 탐침들에 의한 “hit"은 너에게 단지 그 탐침의 반경 내 어딘가에 곰이 존재한다는 것을 말해준다. 3 탐침들 중에, 구슬이 정보를 수집하는 가장 효과적인 수단이었다. 구슬의  ”hit"이 가장 좁은 범위 내 어딘가에 곰이 있음을 말해줬기 때문이다. 농구공의 이미지는 곰의 실제 형체에 대한 가장 큰 불확실성이 있기 때문에 “fuzzy” 라 한다. 탐침의 크기가 작아질수록, 곰의 형체에 관한 확실성이 증가하기 때문에 이미지는 더 "sharper"하게 된다.


  

 큰 농구공은 곰의 윤곽 대한 많은 정보를 주지 않는다. 그래서 우리는

 이것을 "fuzzy"이미지라 부른다.








  곰의 윤곽이 상당히 깨끗하다, 그래서 이것이

  "sharp" 이미지다.

                     









5. 파장과 분해능 설명                                                         (김인홍)


 긴 파장의 물체는 동굴이야기에서 농구공과 유사하다. 농구공이 때린 것에

 대해 어느 것도 매우 자세히 알려줄 수 없기 때문이다. 짧은 파장의 물체

 그것들이 때린 것에 대해 상당히 자세한 정보를 너에게 준 구슬과 같다.

 탐침의 파장이 짧아질수록 타켓에 대해 더 많은 정보를 얻을 수 있다.



파장과 분해능의 이슈에 대한 좋은 예는 수영장이다. 만일 네가 1m 간격의 파동

(1m 파장의) 수영장을 가지고 있고 그리고 물속에 막대기를 집어넣는다면, 수영장의

파동은 단지 막대기 주위로 통과해 지나간다. 1m의 파장은 수영장의 파동이

러한 작은 타켓에 영향을 받지 않을 거라는 것을 의미하기 때문이다.


모든 입자들은 파동성을 가진다. 그래서, 입자들을 탐침으로써 사용할 때, 우리는

작은 물체에 대한 자세한 정보를 얻기 위해 짧은 파장의 입자들을 사용하는게 필요하다. 엄지손가락의

지문처럼, 하나의 입자는 단지 그 입자의 파장과 같은 거리를 조사할 수 있다.더 작은 스케일로 조

하기 위해, 탐침의 파장은 더 작게 만들어 져야 한다.


이것은 매우 어려운 개념의 설명이다. 더 완전하게 설명하기 위해 더 많은 수학을 수반해야 한다.




















6. 물리학자들의 기술과 가속기                                            (권대영)


물리학자들은 원자는 원자 내부의 구조를 탐험하기 위해서 빛을 사용할 수가 없었다. 왜냐하면 빛파장 길이가 너무 길었기 때문이다. 그러나 ‘모든 입자들은 파의 성질을 가진다’라는 것을 알고 이후로 물리학자들은 그들의 시도로서 입자를 사용할 수 있었다. 가장 작은 입자를 보기 위해서 물리학자들은 가능한 한 파장의 길이가 가장 짧은 입자를 필요로 했다. 그러나 자연 세계에 있는 우리 주위의 대부분의 입자는 보통 긴 파장의 길이를 가지고 있다. 그러면 물리학자들은 어떻게 입자의 파 길이를 줄 일수 있을까? 그리기 위해서는 어떤 도구를 사용해애 할까?

∙ 입자의 운동량과 파장의 길이는 서로 역의 관계가 있다.


고에너지 물리학자들은  시험 입자의 운동량을 증가시키기 위해 입자가속기를 사용했고 이것은 위의 원리를 적용한 것이다. 그렇게 함으로써 파장의 길이를 줄인다.

단계 :

∙ 가속기 안에 시험 입자를 놓는다.

∙ 빛의 속도에 매우 가깝게 입자를 가속함으로써 입자에게 많은 운동량을 준다.

∙ 입자가 지금 높은 운동량을 가질 때, 파장의 길이는 짧아진다.

∙ 이 실험 입자를 타켓에 충돌 시키고, 무슨 일이 일어나는지 기록한다.








7. 파와 입자                                                                      (권대영)


파의 성질 중 가장 흥미 있는 것 중 하나는 두 파가 각각 서로 통과할 때 그들의 영향은 함께 더해지는 것이다. 이것을 간섭이라고 부른다.

빛 소스가 두 개의 슬릿을 가진 금속 시트에 의해 막혀 있다고 생각해 보자. 그리고 몇 미터 떨어진 곳에 스크린이 있다. 스크린에 따라 주어진 점들은 두 빛의 파들이 스크린에 부딪히면서 생긴다.(각 구멍을 통해서 하나씩). 이 두 빛의 파는 다른 경로를 여행하면서 스크린에 도착한다. 그래서 그들은 서로서로 간섭하고 간섭무늬를 만든다.

이것은 증명되어졌는데 만약 당신이 빛의 소스 대신에 입자 빔을 사용하여 유사한 실험을 해본다면 당신은 유사한 간섭 패턴을 얻을 것이다. 이것은 모든 입자들이 파의 성질을 가지고 있음을 의미한다. 예를 들어, 여기에 실질적인 간섭 패턴이 있고 얇은 금 조각을 전자에 산란 한 것에 의해 발생되어진 것이다.

이것은 매우 이상한 개념이다. 고체 물질의 입자로 생각하는 것들이 실제로는 파와 같기 때문이다. 왜냐하면 물질 입자는 파장을 가지고 있으며, 서로서로 간섭할 수 가 있기 때문이다.

8. 세계의 미터막대                                                             (권대영)


이 그림은 10성의 단위로 측정한 것을 미터 막대로 재표현한 것이다. 당신이 무언가를 보고자 할 때  그 세계의 상응하는 크기에 맞게 볼 수 있는 다른 방법들이 있으며 이 것을 통해서 당신은 볼 수 있을 것이다.





















9. 질량과 에너지                                                                 (김정한)

  

  아주 자주 물리학자들은 무겁고 불안정한 입자들을 공부하기를 원한다. 그런 입자들은 아주 잠시 존재한다.(아주 무거운 top quark와 같이) 그러나 항상 주위에 존재하고 물리학자들이 쉽게 볼 수 있는 입자들은 모두 아주 가벼운 입자들이다.

무거운 입자를 얻기 위해 낮은 입자들을 사용하는 놀라운 공적은 어떤 원리일까?


여러분들은 Alvert Einstein의 유명한 방정식 을 안다. 여기서 E는 에너지, m은 질량, c는 빛의 속도이다. 그러므로,

 

























10. 에너지-질량 전환                                                          (김정한)

  

 물리학자들이 무거운 질량의 입자를 만들기 위해 낮은 질량의 입자들을 사용하고자 할 때 시행하것은 낮은 질량의 입자를 가속기에 넣고, 많은 운동에너지(속도)를 준 다음 그것들을 서로 충돌시키는 것이다.

이렇게 충돌할 때 그 입자의 운동에너지는 새로운 질량의 입자의 형태로 바뀐다. 이 과정을 통해서 우리는 무겁고 불안정한 입자를 만들 수 있고 그것들의 성질을 알아볼 수 있다.

그것은 마치 당신이 두 딸기를 정면 충돌시켜 새로운 몇 개의 딸기와

많은 도토리, 하나의 바나나, 몇 개의 배, 사과 하나, 호도 하나, 건포

하나를 얻는 것과 같다.






































8 우리는 어떻게 작은 입자를 가지고 실험할 수 하는가?
























1. 가속기                                                                          (김명선)


 가속기는 물리학자들에게 두 가지 문제점을 해결해준다.

첫 번째로, 모든 입자들은 파동처럼 행동하기 때문에, 물리학자들은 가속기를 사용하여 입자의 운동량을 증가시킨다. 그리하여 물리학자들이 그것을 원자 안으로 넣어서 사용할 수 있도록 충분히 파장을 작게 만든다.

두 번째로, 가속된 입자의 에너지는 물리학자들이 연구를 원하는 무거운 물질을 만든다.


가속기는 어떻게 작용하는가?


기본적으로 가속기는 입자를 가지고서 그것을 전자기장을 이용하여 속도를 높이고, 입자를 다른 입자들의 타겟으로 때린다.

충돌지점 근처에서 가속기는 수많은 이벤트들을 기록하게 된다.


질문 : 지금 너에게서 가장 가까이에 있는 가속기는 무엇인가?

대답 : 네 바로 앞에 있는 컴퓨터 모니터이다. (당신이 LCD모니터를 사용하지 않는 한)


물리학자들은 그들이 연구를 원하는 입자를 어떻게 얻는가?














2. 가속시킬 입자를 얻는 방법                                              (심규한)




 전자: 가열된 금속은 전자를 방출한다. 음극선 같은 TV가 이런 기술을 이용한다




      양자: 그들은 수소를 이온화시킴으로 쉽게 얻을 수 있다.


  

 반입자: 반입자를 얻기 위해서는 먼저 에너지 입자를 타겟에 보내주고, 그러면

 가상의 포톤이나 글루온을 통해 입자 반입자 쌍이 생길 것이다. 자기장이

 이들을 구별한다.

 

 























3. 가속하는 입자                                                                 (심규한)


입자들을 얻는 것은 쉬운 일이다. 물리학자들은 금속을 가열함으로써 전자를 얻는다.; 그들은 수소

전자를 제거함으로써 양자를 얻는다.

가속기는 입자를 당기고 미는 큰 전하된 전기장에 의해 전하된 입자를 가속 시킨다. 이 전기장은 가속기 안에서 입자를 미는 작용을 한다.



  

직선 가속기는 전기장은 전자기파 같은 움직임을 할 것이다. 전자기파가 입자 덩어리를 때렸을 때 뒤에서는 가장 강한 추진력을 얻을 것이고 반면 앞에서는 가장약한 추진력을 얻을 것이다. 입자는 파도 타는 사람과 같이 전자기파 앞에서 조종 될 것이다.











4. 가속하는 전자에 대한 애니메이션                                     (정덕용)


위에 그림은 밑에 개념에 대한 표현이다:



전자기파의 꼭대기에 가까이 있는 양전하 입자는 파의 진행 방향으로 가장 큰 힘을 받고 전자기파의 진폭이 0인 지점의 양전하 입자는 더 적은 힘을 받는다. 결과적으로 양전하 입자들은 전자기파를 따라 다같이 이동하게 된다.








5. 가속기 만들기                                                                 (심규한)

 

가속기를 만드는 여러 다른 방법들이 있는데 각 각 그것들만의 장점과 단점이 있다.


여기에 몇 가지 주요한 가속기를 만드는 방법이 있다. 


가속기는 두 가지의 충돌 방식으로 만들어질 수 있다.



고정 표적: 입자를 고정된 표적으로 쏜다.

 

입자선 충돌: 두 개의 입자선이 서로 교차되어 충돌하도록 만든다.

 

가속기는 아래의 두 가지 방법 중 하나의 방법으로 만들어 진다.





Linanc: 선형가속기,한 쪽 끝에서 출발한 입자가 다른 쪽 끝에서 가속되어 방출 된다.





Synchrotrons: 원형으로 만들어진 가속기, 입자는 계속해서 원형으로 가속된다.

6. 고정타겟 실험                                                                 (심여정)







고정된 타깃 실험에서, 전자나 양성자 같은 대전도니 입자들은 전기장에 의해 가속되고 타깃과 충돌하는데 그것은 고체, 액체 또는 기체가 될 수 있다. 검출기는 결과적인 입자의 전하와 운동량, 질량 등을 결정한다.


이 방법의 예가 러더퍼드의 금 박막 실험인데, 이 실험에서는 방사선원에서 높은 에너지의 알파 입자들은 제공했고 이것은 금박박의 고정된 타깃에 부딪혔다. 검출기는 황화아연 스크린이었다.

7. 충돌 빔 실험                                                                 (심여정)


충돌 빔 실험에서 높은 에너지 입자들의 두 빔은 서로 교차하여 만들어진다.



이 장치의 장점은 두 빔이 모두 중요한 운동에너지를 가진다는 것인데, 그래서 그 둘 사이의 충돌은 같은 에너지에서 고정된 타깃 충돌(한 개

빔 사용)보다 더 큰 질량의 입자를 생성하는 것에 더 적당하다. 우리는

매우 큰 운동량을 가지는 입자들을 취급하기 때문에 이 입자들은 짧은

파장을 가지고 훌륭한 탐지력을 가진다.

8. 선형 또는 원형의 가속기?                                               (심여정)


모든 가속기는 직선 이거나 원형이다, 입자를 권총에서 나온 총알처럼 입자가 발사되거나(선형가속기)

또는 주넙에서 매시간 작은 가속다발을 받으며 매우 빠르게 원에서 입자를 빙빙 돌리는 (원형가속기)

의 차이.


 선형 가속기 (linacs)는 고정된 타깃실험에서 사용하거나 원형가속기의 분사

 장치로 또는 선형 충돌기로 사용된다.



고정된 타깃:

원형 가속기의 분사기:


선형 충돌기:



 원형 가속기(싱크로트론)에서 나온 빔은 링으로부터 빼내어 충돌 빔 실험 또는

 고정된 타깃실험을 위해 사용된다.




빔들의 충돌:

고정된 타깃을 치기 위해 빼냄:


원형가속기에 있는 입자들은 원을 따라 돌고 있는데 왜냐하면 큰 자석들이 입자들의 경로를 그것이 충분히 가속기 안에 유지될 수 있을 정도로 비틀기 때문이다. 원형 가속기의 자석들은 어떻게 입자들이 원을 따라 가도록 만드는가?

9. 무엇이 입자를 원운동 하게 만드는가?                               (정덕용)


 어떤 물질을 원운동하게 하기위해서는 원 중심으로 향하는 일정한 힘

필요하다. 원형 가속기에서, 전기장은 입자를 가속시키고, 반면 거대

 자기장은 입자가 원형으로 가게 하는데 필요한 힘을 제공한다.

(좌측에 그림에서, 입자의 속도는 하얀색 화살표이고, 자기장에 의해

 생성되는 원 중심으로 향하는 힘은 노란색 화살표이다 .)


자기장의 존재는 입자의 에너지에 전혀 영향을 미치지 않는다. 자기장

오직 입자가 가속기의 원형 경로를 따라가게 하도록 입자의 경로를 휘

만든다. 자석은 전하를 가지는 입자 빔의 경로를 결정하는데 사용되어

 지고 입자 빔을 모이게 하는데 사용되어진다.

 (광학렌즈가 빛을 모이게 하는 것처럼)







질 문: 자기장이 전자를 시계 방향으로 돌게 한다면, 양전자는 어떤 방향으로 돌게 만드는가?


[답]:반시계 방향! 자기장은 양전자를 같은 원 내에서 반대 방향으로 돌게 만든다.

10. 가속기 구상의 이점                                                       (정수민)

 선형가속기를 넘어선 원형 가속기의 이점은 원형 가속기안의 입자들이

여러 번 돌 수 있고 매번 돌때마다 배의 에너지를 올릴 수 있다.

그러므로 싱크로트론은 어마어마한 길이를 가지지 않고도 고 에너지의

입자를 생성할 수 있다.

게다가 입자가 여러 번 돈다는 의미는 입자 선 들이 교차되어 지도록

만들어 진 곳에서 여러번의 충돌의 기회가 있다는 것을 의미한다.



반면에 선형가속기는 입자를 원안에서 돌도록 가두어 놓는 큰 자석이 필요하지 않기 때문에 원형

가속기에 비해 건설하기가 쉽다.

원형가속기는 또한 입자들이 충분히 큰 에너지를 얻을 수 있도록 하기 위해서 큰 반지름을 필요로 한다.

 

 과학자들이 고려해야 할 필요가 있는 다른 것은 대전된 입자가 가속될 때,   그것은 에너지를 방출한다. 높은 에너지의 복사손실은 원형가속기에서가

 선형가속기에서 보다 크다. 이에 더해서 복사손실은 무거운 양성자의 경우

 보다 가벼운 가속된 광전자의 경우가 더 크다. 전자와 양전자는 오직 큰

 반지름을 지닌 원형가속기나 선형가속기의 경우에만 큰 에너지를 가져다

 줄 수 있다.


질문: 같은 속력를 유지하는 동안 물체를 가속할 수 있을까?

예. 속력은 절대적인 변화이다. 그러나 속도는 방향과 크기를 가지고 있다. 그리고 가속은 시간에 따른 속도의 변화율이 존재하면 되는데 원형가속기의 경우 속력은 일정하더라도 방향이 변하면 속도가 변하므로 입자를 같은 속력을 유지하면서 가속 시킬 수 있다.













11. 주요 가속기들


우리는 당신들이 진실로 가속기 디자인들에 관한 차이점을 평가할수 있도록 세계의 주요 가속기들의 기본계획을 탐구할 수 있도록 초대한다.


 ☞ SLAC(Stanford Linear Accelerator Center)

   켈리포니아에 위치하고, c 쿼크(brookhaven에서 역시 발견됨)와 t 쿼크를 발견하였고, 지금은 

   수많은 B 메존을 생산하는 가속기를 가동중이다.


 ☞ Fermilab(Fermi National Laboratory Accelerator)

   일리노이에 위치함. b, t 쿼크와 tau 중성미자가 발견되었다.


 ☞ CERN(European Laboratory for Particle Physics)

   스위스와 프랑스 국경에 걸쳐서 위치. W, Z입자가 발견되었다.


 ☞ BNL(Brookhaven National Lab)

   뉴욕에 위치. SLAC와 함께 동시에 c 쿼크를 발견하였다.


 ☞ CESR(Cornell Electron-Positron Storage Ring)

   뉴욕에 위치. CESR은 상세한 b 쿼크의 연구를 알린다.


 ☞ DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron)

   독일에 위치. 글루온이 여기서 발견되었다.


 ☞ KEK(High Energy Accelerator Research Organization)

   일본에 위치. 이곳은 지금 수많은 B 메존들을 생산하는 가속기를 가동중이다.


 ☞ IHEP(Institute for High-Energy Physics)

   중국에 위치. 이곳은 tau 렙톤과, c 쿼크의 자세한 연구를 수행하고 있다.

8-11-1-1. SLAC                                                                        (김인홍)


 스탠포드 선형가속기 센터는 샌프란시스코 바로 남쪽에 위치해 있고, 세계에서 가장 큰 선형 가속

이다. 전자와 포지트론을 가속해서 2마일 길이의 끝에 잇는 다양한 타겟, 링, 디텍터로 보낸다. PEP링은 B-메존을 이용해 반물질의 미스터리를 연구하는 B-factory를 위해 다시 건설되었다.

코넬에 있는 CESR 과 일본에 있는 KEK가 연계되어 있다.



< 더 많은 정보 >

▶ 전자총(ELECTRON GUN) : 전자총은 너의 텔레비전과 유사한 일을 한다.:가열된 음극선은 전기장에

   의해 가속된 전자를 내어놓는다.그때 내어놓은 전자는 주 가속기로 들어간다. 그때 그것들은 이

   빛의 속도에 가깝게 움직인다.

댐핑링(DAMPING RINGS) : 댐핑링에서, 전자와 포지트론 그룹은 다발로 구성되고 촘촘히 이동하도록   돌고 돈다.

▶ 포지트론 생산(POSITRON PRODUCTION) : 전자들이 충분한 고에너지에 도달했을 때,그것들 중에 어

   정도는 타겟을 때리기 위해 방향이 바뀐다. 원자로 달려가면서, 포톤을 생산하고, 전자와 포지트론의

   쌍으로 바뀐다.

▶ 포지트론 일렉트론 프로젝트 링(PEP RING) : PEP storage ring에는 전자빔과 포지트론빔이 충돌

   하는 곳에 6개의 디텍터가 있다. 입자들은 링 안에서 충돌을 위한 많은 기회가 있지만 상호작용

   하지 않는다. 이 storage ring facility 는 3.1 GeV의 포지트론과 9 GeV의 전자를 동시에 stored할 수

   는 두개의 링 시스템으로 지금 재건설 중이다.이 두개의 빔이 충돌로 갈 때 단 한번의 상호작

   영역이 있을것이다. 이 facility는 PEPII, 혹은 SLAC B Factory로 알려져 있다.

▶ SLC(Stanford Linear Collider) : SLC는 1988년에 완성되었다. 전자와 포지트론 빔은 두 빔이 서

   만나는 단지 한 곳에서 충돌한다. 빔은 사람 머리카락 직경의 1/1000로 집중되고 그로 인해 전자와

   포지트론 입자들은 더 많은 충돌 기회를 가진다.

SPEAR RING:충돌 빔 storage ring 은 빔마다 3 GeV씩 올리는 역할을 한다. 이곳에 1974년, 1975년에

   charm 쿼크와 tau 랩톤을 발견한 곳이 있다. 이 링은 더 이상 입자물리 연구를 위해 사용되지는

   않지만, 물질의 다양한 연구를 위해 제동복사를 이용하는 연구에 헌납되어졌다.

8-11-1-2. B-factory란 무엇인가?                                                       (김인홍)



 B factory는 같은 터널에 두개의 storage ring이 건설되어 있다. 아래쪽 링은 전자를, 위쪽 링은

 포지트론을 저장한다. 빔들이 만나도록 조절된 곳인 crossing point에서 충돌이 일어날 것이다.

 전자의 에너지는 약 9 GeV, 포지트론의 에너지는 약 3 GeV가 될 것이다.





B-factory는 무엇에 대해 테스트 하는가?



 B factory 디텍터(BaBar) 는 국제적인 공동연구에 의해 건설될 것이다. 특별히 전기적으로 중성인 B 메존과 anti-B 메존을 만들어 내기 위해 건설될 것이다. 중성의 B는 anti-b쿼크와 d쿼크로 되어있고, 반면에 중성의 anti-B 는 b쿼크와 anti-d쿼크로 되어있다. 물리학자들은 이 두개의 메존을 만들어내기 위해 충분한 에너지로 충돌하도록  두 빔을 조절할것이다. 왜냐하면 전자와 포지트론은 다른 에너지로 돌기 때문에, 만들어진 B 와 anti-B 메존은 같은 방향에서 매우 급격히 움직일 것이다. 그것들은 더 빨리 움직이는 전자들이 있는 곳과 같은 방향으로 움직일 것이다. 이것은 물리학자들그것들이 붕괴하기 전에 얼마나 오래 살고 얼마나 멀리 가는지를 유추해 내도록 할것이다.만일 물리학자들이 기대하는 것처럼, B 와 anti-B가 다른 비율의 확실한 입자 셋으로 붕괴한다면 (전하만 다르고 다 똑 같은 대부분의 물질-반물질 쌍과 달리), 물질과 반물질사이의 차이점에 대한 오랜 질문의 답을 줄 수 있을 것이다.

이 실험을 “BaBar”라 부르는 이유는 이 실험이 B와 anti-b 메존을 취급하기 때문이다. anti-b메존을 b-bar라 하기 때문에 그렇게 결정했다. "B B- Bar"는 귀여운 이름로서의 "BaBar"가 아니다.

8-11-2-1. Fermilab                                                                    (권대영)


  Fermilab(Fermi National Laboratory Accelerator) : 이