표준 모형

입자는 크게 페르미온(물질을 구성하는 입자)과 보존(힘을 매개하는 입자)의 두 종류가 있다.
페르미온에는 쿼크와 렙톤이 있다. 쿼크는 자연계 네가지 힘 모두와 관계된다.
렙톤은 강력에 반응하지 않는 입자이며, 크기를 거의 차지하지 않는 경입자이다.
보존은 강력과 약력, 전자기력 등의 힘을 매개하는 입자를 말한다.
(사실 강력과 약력은 제대로 된 표현이 아니다. 강한 상호작용(강작용), 약한 상호작용(약작용)으로 고쳐 부르는게 좋다)

<페르미온>
쿼크 - 1세대 (up, down), 2 세대 (charm, strange), 3세대 (top, bottom)
렙톤 - 1세대 (전자 뉴트리노, 전자), 2세대 (뮤온 뉴트리노, 뮤온), 3세대 (타우온 뉴트리노, 타우온)

<보존>
광자, 글루온, W(±)보존, Z보존, 힉스 보존(미발견)


페르미온

소립자는 질량으로 분류하는데, 질량이 제일 작은 것은 렙톤(경입자)이고
질량이 중간 정도인 것은 메존(중간자)이며, 질량이 큰 것이 바리온(중입자)이다.

렙톤의 대표주자는 전자와 전자 뉴트리노다. 약력에 대해 이 둘이 쌍으로 작용하기 때문이다. (렙톤에는 쿼크가 없으므로 강력에 반응하지 않는다)
뉴트리노(중성미자)란 물리적 특성은 같으나 질량이 훨씬 작은 입자를 말한다.
메존에는 파이메존이나 케이온 등이 있으며 두 개의 쿼크(쿼크와 반쿼크)로 이루어져 있다.
바리온의 대표주자는 양성자와 중성자이며 이들은 세 개의 쿼크로 이루어져 있다.
쿼크로 이루어진 메존과 바리온을 합쳐서 하드론(강입자)이라고 부른다.

쿼크의 대표주자는 업쿼크와 다운쿼크이다. 이들은 쌍을 이루어 강력과 약력에 반응한다.
업쿼크 두 개와 다운쿼크 하나면 양성자가 되고, 업쿼크 한 개와 다운쿼크 두 개면 중성자가 된다. (여기에 렙톤인 전자가 결합하면 원자가 된다)
다른 쿼크 족들도 질량만 다를 뿐 해당되는 특성은 업쿼크, 다운쿼크와 동일하다. 이상하게도 나머지 쿼크들은 물질 구성에 관여하지 않는다.
뮤온과 타우온도 질량만 다를 뿐 그 외 모든 물리적 성질은 전자와 똑같다. 말하자면 형제뻘 되는 입자들이다.


보존

광자는 전자와 관련된 모든 전자기력을 매개하는 입자다. 극저주파, 저주파, 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선..

글루온(접착자)은 쿼크 간에 존재하는 강력을 매개하는 입자다. 각각의 종류는 red, blue, green이라는 색으로 분류한다.
물론 이것은 양자색역학의 구분법일 뿐이며 실제 이런 색을 띠고 있는 것은 아니다.

W(±)보존, Z보존은 약력을 매개하는 입자다. 질량은 두 종류로 나뉘는데 각각 양성자의 86배, 97배이다.
갑자기 엄청나게 무거운 입자가 생겼다가 쿼크의 성질을 바꾸고 사라지는 셈인데, 표준모형은 이를 힉스 보존의 작용으로 설명하고 있다.


중력자

표준모형은 미시세계의 세가지 힘을 단순히 '질량을 가진 입자 간의 상호작용'으로 정의한다.
(전자기력은 전하가 있는 입자 간의 상호작용, 강력은 색깔이 있는 입자 간의 상호작용, 약력은 isospin이 있는 입자 간의 상호작용)

그러나 중력은 다른 세 게이지 보존과는 다르게 공간 자체에 관여해 모든 입자에 작용한다.

도대체 중력이 어떤 식으로 모든 페르미온과 보존에 작용하는지 밝혀내지 못했다는 것이 표준모형의 약점이다.


게이지 대칭성과 힉스 입자

표준모형에 따르면, 자연에는 게이지 대칭성이 있다. (게이지 대칭은 모든 입자에 초짝이 있다는 초대칭 이론과는 다르다)
‘우리가 입자들을 관측하는 틀(게이지)을 바꾸더라도 물리법칙은 변하지 말아야 한다’는 물리의 원리다.
만약 물리법칙이 실험자의 편의에 따라 마구 바뀐다면 보편 법칙의 의미를 잃어 버릴 것이다.
그 동안 과학자들은 이 대칭성이 유지되려면 반드시 보존(힘을 매개하는 입자들)이 존재해야 함을 밝혀냈다.
그러나 문제가 있다. 게이지 대칭성이 있으면, 사실 모든 입자는 질량을 가질 수 없다.
소립자들을 서로 구분하는 가장 기본적인 물리량이 바로 질량인데, 게이지 대칭성은 이런 질량의 구분마저 지워 버린다.
대칭성이란 한마디로 ‘구분할 수 없음’을 의미한다.

과학자들은 게이지 대칭성을 유지하면서도 대칭성이 적절하게 깨져 소립자들이 질량을 얻게 되는 방법을 연구했다.
이 과정에서 도입된 입자가 ‘힉스’다. 힉스 입자가 대칭성을 유지하면서 소립자들과 상호작용을 하다가
갑자기 특정한 값을 갖게 되어 대칭성이 깨지면서 소립자들은 질량을 얻는다는 것이다.
힉스 입자는 다른 모든 입자들에 질량을 부여하는 구실을 하기 때문에 ‘신의 입자’라는 별칭을 얻었다.

[출처] 표준모형|작성자 이선재