분자물리학, 입자물리학 - Molecular, Particle physics

분자물리학 - Molecular Physics

분자물리학은 분자의 물리적 특성, 원자 사이의 화학적 결합과 분자역학에 대한 학문이다. 그것의 가장 중요한 실험 기법은 다양한 종류의 분광학이다; 산란 또한 사용된다. 이 분야는 원자물리학과 밀접한 관련이 있으며 이론화학, 물리화학, 화학물리학과 크게 중복된다. 원자로부터 알려진 전자적 흥분 상태 외에도 분자는 에너지 수준이 정량화되는 회전 및 진동 모드를 나타낸다. 서로 다른 회전 상태 사이에 가장 작은 에너지 차이가 존재한다. 순수 회전 스펙트럼은 전자기 스펙트럼의 원적외선 영역(약 30~150μm 파장)에 있다. 진동 스펙트럼은 적외선에 가깝고(약 1~5μm), 전자 전환에 따른 스펙트럼은 대부분 가시와 자외선 영역에 있다. 핵 사이의 거리와 같은 분자의 회전 및 진동 스펙트럼 속성을 측정하여 구체적으로 계산할 수 있다. 분자물리학의 한 가지 중요한 측면은 원자물리학의 분야에서 필수적인 원자 궤도 이론이 분자 궤도 이론으로 확장된다는 것이다.

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입자물리학 - Particle physics

입자물리학(High Energy Physics, 일명 고에너지물리학)은 물질과 방사선을 구성하는 입자의 성질을 연구하는 물리학의 한 분야다. 입자라는 단어는 다양한 종류의 매우 작은 물체(양자, 가스 입자 또는 심지어 가정용 먼지)를 지칭할 수 있지만, 입자물리학은 보통 이해할 수 없을 정도로 가장 작은 감지 가능한 입자와 그 행동을 설명하는 데 필요한 기본적인 상호작용을 조사한다. 우리의 현재 이해에 따르면, 이 기초 입자들은 그들의 상호작용을 지배하는 양자장의 배설물이다. 이러한 근본적인 입자와 장을 설명하는 현재 지배적인 이론은 그 역동성과 함께 표준 모델이라고 불린다. 따라서 현대의 입자물리학은 일반적으로 표준 모델과 그 다양한 가능한 확장을 조사한다. 예를 들어, 최신 "알려진" 입자, 힉스 입자 또는 심지어 가장 오래된 알려진 힘 분야인 중력까지 조사한다.

아원자 입자

현대 입자물리학 연구는 아원자 입자, 즉 전자, 양성자, 중성자 등의 원자 성분(프로톤과 중성자는 쿼크(quark)라고 하는 합성 입자)과 광자, 중성미자, 뮤온과 같은 방사성 및 산란 과정에 의해 생성되는 광자, 이국적인 입자에 초점을 맞추고 있다.입자의 역학도 양자역학에 의해 지배된다; 그것들은 특정한 실험 조건 하에서 입자 같은 행동과 다른 것들에서 파동 같은 행동을 보여주는 파동-입자 이중성을 나타낸다. 좀 더 기술적인 용어로, 그것들은 힐버트 공간의 양자 상태 벡터에 의해 설명되며, 양자장 이론에서도 다루어진다. 입자 물리학자들의 관습에 따라, 기초 입자라는 용어는 현재의 이해에 따르면, 분리할 수 없고 다른 입자로 구성되지 않은 것으로 추정되는 입자에 적용된다. 현재까지 관찰된 모든 입자와 이들의 상호작용은 표준모델이라고 불리는 양자장 이론에 의해 거의 전적으로 설명될 수 있다. 현재 공식화된 표준 모델은 61개의 기본 입자를 가지고 있다. 이 기초 입자들은 복합 입자를 형성하기 위해 결합할 수 있으며, 1960년대 이후 발견된 수백 종의 다른 입자들을 차지한다.

이 표준 모델은 지금까지 시행된 거의 모든 실험 테스트에 동의하는 것으로 밝혀졌다. 그러나 대부분의 입자 물리학자들은 그것이 자연에 대한 불완전한 서술이며 보다 근본적인 이론이 발견을 기다리고 있다고 믿는다(See Theory of Everything, 참조). 최근 몇 년 동안 중성미자 질량의 측정은 표준 모델에서 중성미자가 질량이 없기 때문에 표준 모델에서 첫 번째 실험 편차를 제공했다.

역사

모든 물질이 근본적으로 초입자로 구성되어 있다는 생각은 적어도 기원전 6세기부터 비롯되었다. 19세기에 존 달튼은 스토이치측정법에 관한 연구를 통해 자연의 각 원소들이 하나의 독특한 형태의 입자로 이루어져 있다고 결론지었다. '분리할 수 없다'는 뜻을 가진 그리스어 아토모스(atomos) 다음에 원자라는 단어는 그 후 화학 원소의 가장 작은 입자를 나타내었으나, 물리학자들은 곧 원자가 사실 자연의 근본적인 입자가 아니라 전자와 같은 더 작은 입자의 집단이라는 사실을 발견했다. 20세기 초 핵물리학과 양자물리학의 탐험은 1939년 리세 메이트너(오토 한)에 의한 핵분열 증명과 같은 해 한스 베테에 의한 핵융합으로 이어졌다. 두 발견은 또한 핵무기 개발로 이어졌다. 1950년대와 1960년대에 걸쳐, 점점 더 높은 에너지의 빔에서 나오는 입자들의 충돌에서 놀라운 다양한 입자들이 발견되었다. 그것은 비공식적으로 "입자 동물원"이라고 불렸다. 이 용어는 1970년대 표준모형의 공식화 이후 더 이상 사용되지 않았으며, 많은 수의 입자가 (상대적으로) 적은 수의 더 근본적인 입자의 조합으로 설명되었다.

표준 모델

모든 기본 입자의 분류의 현재 상태는 스탠더드 모델에 의해 설명되어 1970년대 중반 쿼크의 존재에 대한 실험적인 확인을 거쳐 널리 받아들여졌다. 매개 게이지 보손(boson)을 사용하여 강하고 약하며 전자기적인 기본 상호작용을 설명한다. 게이지 보손의 종류는 8개의 글루온, W^-, W^+, Z보손, 광자 등이다. 또한 표준 모델에는 모든 물질의 성분인 24개의 기본 페르미온(입자 12개 및 관련 반입자)이 포함되어 있다. 마지막으로, 스탠더드 모델은 힉스 보손이라고 알려진 보손의 종류도 예측했다. 2012년 7월 4일, CERN에서 거대 하드론 충돌기를 가진 물리학자들은 힉스 입자로부터 기대되는 것과 비슷하게 작용하는 새로운 입자를 발견했다고 발표했다.

이론

이론 입자물리학은 현재의 실험을 이해하고 미래의 실험에 대한 예측을 하기 위한 모델, 이론 체계, 수학 도구를 개발하려고 시도한다(이론물리학 참조). 오늘날 이론 입자 물리학에는 몇 가지 주요한 상호 관련 노력이 이루어지고 있다. 한 중요한 지부는 표준 모델과 그 테스트를 더 잘 이해하려고 시도한다. 이 작업은 불확실성이 적은 실험에서 표준모델의 매개변수를 추출함으로써 표준모델의 한계를 탐구하고 따라서 자연의 구성블록에 대한 우리의 이해를 넓힌다. 그러한 노력은 양자 색역학에서 수량을 계산하는 것이 어렵기 때문에 도전하게 된다. 이 지역에서 활동하는 일부 이론가들은 스스로를 현상학자라고 부르며 양자장 이론과 효과적인 장 이론의 도구를 사용할 수도 있다. 다른 사람들은 격자장 이론을 사용하고 스스로를 격자 이론가라고 부른다. 또 다른 주요 노력은 모델 구축자들이 표준 모델(더 높은 에너지 또는 더 작은 거리에서)을 넘어설 수 있는 물리학에 대한 아이디어를 개발하는 모델 구축이다. 이 작업은 종종 계층 문제에 의해 동기가 부여되고 기존의 실험 데이터에 의해 제약을 받는다. 초대칭, 힉스 메커니즘에 대한 대안, 추가 공간 치수(랜달-선드럼 모델 등), 프레온 이론, 이들의 조합 또는 기타 아이디어에 대한 작업이 포함될 수 있다.

이론 입자 물리학의 세 번째 주요 노력은 끈 이론이다. 끈 이론가들은 작은 끈을 바탕으로 한 이론을 구축함으로써 양자 역학과 일반 상대성에 대한 통일된 설명을 입자보다는 기선을 바탕으로 구성하려고 시도한다. 만약 이 이론이 성공한다면, 그것은 "모든 것의 이론" 또는 "TOE"로 간주될 수 있다.

이론 입자물리학에는 입자 우주론에서부터 루프 양자 중력에 이르는 다른 분야도 있다.

입자물리학에 있어서의 이러한 노력의 분업은 사전인쇄 아카이브인 arXiv의 범주 이름에 반영된다. hep-th (이론), hep-ph (정체학), hep-ex (실험), hep-lat (attice 게이지 이론)