우주 탄생과 관련이론

[백산]

물질의 탄생 (요약)

• 전재조건 : 에너지는 물질로 상호 전이 한다. (상대성 이론에 의해서…) 

• 무(無) => 10-44초(양자역학 최소치의 시간) => 10-36초 후 인플레이션(터널효과, 반도체),

  10-34cm

  =>진공의 상전이 => 진공에너지(우주의 불덩이 상태) => 이순간이 빅뱅

  => 이때 X입자(소립자와 그 반입자) 생성, X입자와 반X 입자는 서로 상쇄되고 (쌍소멸),

     현재 물질의 최소 소립자인 쿼크(quark)와 렙톤(lepton), 그들의 반입자 생성

  => 빅뱅 후 10-4초 ~ 3분=> 온도가 내려가면서 쿼크와 반 쿼크, 렙톤과 반 렙톤의 쌍소멸 시작.

    입자와 반입자의 수가 10억 개에  1개 정도 입자수가 남음.(CP 불변성의 깨짐)

  => 하드론 상전이(온도 1조도K) ; 3색 쿼크의 모임 => 10억도K 에서 양성자 중성자 생성

     (빅뱅 3분 후)

  => 10만 년 후, 온도가  10억도K에서 전자와 원자핵이 서로 떨어져 있는 플라즈마 상태

  => 10만도K에서 드디어 원자가 만들어짐.

  => 절대온도 까지 천천히 내려가면서 가벼운 수소, 중수소, 헬륨 만들어짐

  => 절대온도 0도K에서 전자운동은 거의 없고 만류인력이 더 크게 작용함

  => 물질의 응집(아기별)의 시작 ; 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵 융합반응

   이후 중력에 의해 물질의 모임(별 생성) 과정에서 온도와 압력에 의해 각종 원소 생성

      : 삼라만상(사람,흙,자동차,책상,그릇,모든 생명체,건물,태양….) 구성물질 생성

 ● Class 100 이란 1-ft3 내에 1 미크론 이하의 먼지의 수가 100개

만물을 구성하고 있는 물질은 ?

입자물리학의 지상 과제 :  힉스 입자를  찾아라!

고대 그리스 철학자 아낙시메네스는 만물의 기본 물질을 물,불,공기,흙이라고 하였다. 멘델레예프가 원소의 주기율표를 만든 후 더 작은 입자를 찾기 위해서 분자를 쪼개고 원자를 쪼개고 하였다. 원자는 전자와 원자 핵으로 되어 있고 핵자는 중성자와 양성자로 되어 있고 또 이것들은 쿼크라는 입자로 되어 있다.

 

그러면 이런 입자를 어떻게 찾을까?

아인슈타인에 따르면 높은 에너지를 갖는 빛이나 입자 일수록 끝이 뾰족하고 날카로운 역할을 할 수 있다고 한다. 끝이 뾰족한 바늘로 사과를 찔러보면 사과를 자르지 않고도 어디에 씨가 있는지를 아는 것과 같은 방법이다. 뾰족한 침을 얻기 위해서는 전자나 양성자를 높은 에너지로 가속해야 한다.

이것이 입자가속기 이다.

전자(-)와 양성자(+)는 같은 전하끼리는 밀고, 다른 전하끼리는 당긴다.입자 가속기 안에서 높은 전기장을 만들면 전기장 속에서 전하들은 힘을 받게 된다. 만약 양성자를 가속하려면 (+)전하를 당겨주는 방향으로 계속 걸어 주어야 한다. 입자 가속기를 통해서 전자나 양성자를 높은 에너지를 만든 다음  서로 충돌 시킨다. 이때 갑자기 많은 에너지가 생기는데 이 에너지를 이용해서 새로운 물질이 생겨 난다.

여기서 E=mc2이 적용되는데 바로 질량이 에너지가 될 수 있다는 것과 동시에 에너지가 질량으로 바뀔 있다는 것이 증명되는 것이다. 한편 가속기 안에서 어떤 입자가 생겼는지 알기 위해서 입자검출기가 있다. 검출기의 종류는 여러 가지가 있는데 병원에서 쓰이는 CT촬영이나 PET촬영에도 입자 검출기 원리가 적용 된다. 결국은 가속기로 충돌 시킨 후, 어떤 입자가 생겼는지 또 무슨 일이 일어나고 있는가를 알아야 한다.

  

입자를 거의 빛의 속도로 가속시킨 다음 충돌시키면, 충돌 후의 흔적이 나타나는데 이것으로

어떤 입자가 생겼는지 안다.

 

[과학, 미래를 만든다] 중성미자, 1000㎞밖 日서 쏘고 한국서 받고  

한국일보 | 기사입력 2007-08-13 17:51

2020년 검출 실험 추진…양국, 내달 3차 심포지엄

 

한국의 RENO 실험은 2020년대 미래를 향한 첫 걸음일 뿐이다. 이미 3차례 노벨상을 배출한 중성

미자 연구는 앞으로도 대통일이론 검증과 관련해 물리학의 중심을 차지할 뿐 아니라 한국과 일본

양국이 긴밀한 공동연구를 논의하고 있다. 한일 양국은 피처와 캐처가 되어서 1,000㎞를 가로질러

중성미자 빔을 쏘고 받는 대규모 공동실험을 추진하기 위해 9월 세번째 심포지엄을 연다. 2020년을

 바라보는 T2KK(‘도카이에서 카미오카-코리아까지’라는 의미) 실험이 그것이다. 실험의 골자는

일본이 강력한 중성미자 빔을 쏘아 보내면 한국에서 초대형 검출기로 이를 측정하는 것. 그러면

중성미자 질량 순서와 CP대칭성붕괴를 발견하는 정밀 실험이 가능하다.

CP대칭성붕괴란 우리 우주에서 물질과 반물질이 똑같이 상쇄되지 않아 물질의 우주만 남게 된

현상인데, 중성미자와 반중성미자를 비교하는 실험은 엄두조차 낸 적이 없었던 야심찬 실험이다.

일본은 2008년 도카이에 양성자가속기(J-PARC)가 완공되면 1단계로 5만톤 규모 검출기(슈퍼카

미오칸데)에 중성미자 빔을 쏘아 진동변환상수를 정밀 측정할 예정이다. 이어 2단계로 가속기 출력

을 0.75㎿에서 4㎿로 높이고, 검출기를 5만톤에서 100만톤(하이퍼카미오칸데)으로 키워 대칭성붕

괴 실험에 돌입할 계획이다.

하지만 가속기(도카이)에서 검출기(카미오카)까지 거리가 300㎞밖에 안 돼 2단계 실험에 의문이

제기됐고, 한국에 검출기를 짓는 대안이 급부상한 것이다.

한국이 T2KK 검출기를 지으면 이는 100만톤 규모로 RENO 검출기(표적만 15톤, 총 300톤)와는

비교가 안 되며 비용도 5,000억원이나 든다. 물리학 실험이 커지면서 한국과 일본 같은 좁은 나라는

물리적 토의 한계를 절감하고 있다. 하지만 역설적으로 이 때문에 1,000㎞짜리 통 큰 발상이 나오

고 있다.

입자우주론이 뜨고 있다!                         뉴스메이커 | 기사입력 2007-06-28 13:48

물질을 구성하는 가장 작은 단위들이 어떻게 우주의 형태와 운명을 결정해왔는지 연구하는 입자우주론(particle cosmology)은 오늘날 물리학에서 가장 뜨거운 주제 중 하나다. 최근 몇 년간 이 분야에 30년 전만 해도 존재조차 않던 분야이다. 그렇다면 입자우주론이 왜 나타났을까. 1970년대 중반, 과학자이 이야기를 풀어가는 한 가지 좋은 방법은 두 가지 장(field)의 역사에 초점을 맞추는 것이다. 그중 하나는 중력 전문가들이 창안한 브랜스-디키장(Brans-Dicke field)이며, 다른 개념은 입자물리학자들이 골머리를 앓으며 내놓은 힉스장(Higgs field)이다. 두 연구진 모두 1950년대 후반에서 1960년대 초반 사이에 수많은 과학자의 상상력을 발휘시켰던 문제-왜 사물은 질량을 갖는가-에 대한 답으로이러한 개념들을 창조했다. 비록 이 두 이론이 입자물리학과 우주론의 결합을 이끌어내지는 못했지만, 그 이론들의 발전 과정은 어떻게 두 갈래의 연구 분야가 한데 모아지는지 보여준다.
질량은 그에 대한 설명이 필요치 않다고 생각될 정도로 물질의 명백한 성질로 보인다. 그러나 현대물리학의 다른 아이디어들과 모순 없이 질량에 대한 설명을 찾는 것은 결코 쉬운 일이 아니라는 사실이증명되었다. 중력과 우주론 전문가들은 이 문제를 ‘마흐의 원리’(Mach’s principle, 우주론에서 가속도운동을 하는 천체의 관성력(慣性力)은 우주에 있는 물질의 양과 분포에 따라 결정된다는 가설. 모든운동은 상대적이며 우주의 평균질량분포가 정지 상태의 표준임을 주장한다)라는 틀로 접근한다.

마흐의 원리는 오스트리아의 물리학자이자 철학자인 에른스트 마흐(Ernst Mach)의 이름을 딴 것으로마흐는 뉴턴에 대한 비평가로 유명하며, 젊은 앨버트 아인슈타인에게 영감을 주기도 했다. 마흐의 원리는 다음과 같이 표현할 수 있다. 사물의 질량은-운동 변화에 대한 저항력의 척도-궁극적으로 그 사물과 우주의 다른 모든 물질과의 중력상호작용으로부터 유도된다. 이 원리는 아인슈타인의 흥미를 돋우고 그의 사고를 자극했지만 그의 일반상대성이론(general theory of relativity)은 결국 그로부터 벗어난 것이었다. 마흐의 원리를 중력이론과 결합하기 위해 과학자들은 모든 유형의 물질과 상호작용하는 새로운 스칼라 장(scalar field)의 존재를 가정했다(스칼라장은 시간과 공간상의 각 점에서 하나의 값만 갖는다). 1961년 프린스턴 대학교의 대학원생이었던 칼 브랜스와 그의 논문 지도교수였던 로버트디키는 아인슈타인의 일반상대론에서 중력의 세기가 뉴턴의 상수 G에 의해 고정된다고 지적했다.

아인슈타인에 따르면 G가 지구상에서 같은 값을 갖는 것과 마찬가지로 가장 멀리 떨어진 은하에서도같은 값을 가지며, 그 값이 시간에 따라 변하지도 않는다.브랜스와 딕은 또 다른 가능성으로 뉴 튼 상수가 시간 공간에 따라 변하는 경우에도 마흐의 원리가 만족한다는 사실을 보였다. 한편, 훨씬 더 큰물리자 집단 속에서는 질량에 대한 문제가 다른 형태로 나타났다. 1950년대에 들어서면서 이론
물리학자들은 아원자입자들의 행동을 지배하는 방정식에 특별한 종류의 대칭성을 부여함으로써 핵력(nuclear force)의 효과를 설명할 수 있다는 사실을 발견했다.

그러나 이 방정식에서 대개 입자의 질량을 나타내기위해 포함된 항들이 특수한 대칭성들을 위배했다. 많은 물리학자는 아원자입자에 작용하는 힘의 대칭적인 특성을 설명함과 동시에 질량을 가진 입자들도 편입될 수 있는 이론을 공식화하기 위해 이문제를 집중적으로 연구했다. 1961년, 당시 케임브리지대학교에 있던 제프리 골드스톤은 아원자입자들의 행동을 지배하는 방정식의 해는 방정식 자체가 만족하는 대칭성을 따를 필요가 없다는 사실을 알아차렸다. 1964년 에든버러 대학교의 피터 힉스는 골드스톤의 연구를 수정하며 자발적으로 대칭성이 붕괴(spontaneous symmetry breaking)하는 이론이 질량을 가진 입자의 존재를 허용할 것이라는 사실을 발견했다. 질량은 약한 핵력을 생성하는 소립자들도 포함한 모든 유형의 입자와 φ장 사이의 상호작용의 결과 나타난다. 힉스는 이 상호작용을 결정하는 방정식이 모든 필수적인 대칭성을 만족한다는 것을 증명했다.

입자가속기 건설 백지화로 타격

빅뱅의 최초 몇 분간은 입자물리학자들에게 지구상에서는 재현이 불가능한 고에너지 상호작용을 관측할 수 있는 기회를 제공해주는 ‘유일한 가속기’가 될 수 있기 때문이다. 다수의 과학자, 저널리스트, 철학자, 역사가들은 이러한 과학적인 발전이 입자우주론의 등장을 설명해준다고 지적했다.
역사가 다시 반복될 것인가? 입자물리학은 1990년대에 다시 심한 타격을 입었다(특히 텍사스에 건설중이었던 거대한 입자가속기인 초전도 슈퍼 충돌형가속기(Superconducting Super Collider)의 건설계획이 백지화된 것이 큰 이유다). 미국의 연구비 지원도 그 이후 계속 감소하고 있다. 아마 끈이론(string theory)의 주창자들과 그와는 다른 방식으로 접근하려는 사람들이 경쟁하면서 달궈진, 이론물리학이 나아가야 할 방향에 대한 오늘날의 격렬한 논쟁은 마지막 시련 이후 이 분야를 흔들고 있는 성장통과 같은 증상일 것이다.

물리학자들은 현재 예정된 여러 프로젝트에서 새로운 결과가 내년 중으로 온라인상에 올라오길 기대하고 있다. 주목받는 프로젝트는 스위스에 있는 거대강입자충돌형가속기(Large Hadron Collider)와 감마선관측 광역우주망원경(Gamma-Ray Large Area Space Telescope), 그리고 전례가 없는 높은 정확도로 우주배경복사를 관측할 플랑크위성(Planck satellite)이다. 약간의 행운이 깃든다면 고에너지 물리학은 다시 30년 전처럼 약동하면서 활기가 넘치는 시기를 맞이할 것이다.


 

입자충돌가속기가 유럽에 정전사태 불러올까?  [서울경제 파퓰러사이언스] 07-12-17

입자충돌 측정에 엄청난 전기 필요, 정전사태 이르지 않지만 엄청난 전기료 부담해야

유럽입자물리연구소(CERN)는 내년 5월 세계 최대 규모를 자랑하는 초대형 입자충돌가속기

(LHC)의 가동을 개시할 계획이다. 현재 스위스 제네바 인근에 건설되고 있는 LHC는 지하에 매설

된 35km 충돌시켜 7테라 전자볼트(eV)급의 고에너지를 발생시키게 된다.

과학자들은 이를 통해 힉스 입자, 암흑물질, 블랙홀, 고차원 우주 등 지금까지 알 수 없었던 새로
운 세계에 대한 진실을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.하지만 이 LHC를 가동시키기 위해서는엄청난 전기가 필요하다. 입자의 충돌을 측정하기 위해 장착한 센서들의 전기 소비량만도 수십㎿에 달하기 때문이다. LHC에서 가장 많은 전력이 들어가는 곳은 7,000개의 초전도자석들을 절대온도(-273.16℃) 수준으로 냉각하는데 사용되는 극저온 장치. 이 장치는 광자가 원형링을 따라 움직이도록 만드는데 27.5㎿를 소모한다.다음은 양자들의 충돌 결과를 읽어 들이는 네 개의 감지기들로서 약 22㎿의 전력이 사용된다.CERN에서는 이렇게 LHC가 총 120㎿규모의 전력을 소비할 것으로 보고 있으며, 이로 말미암아 연구소 전체의 전력 소비량이 최대 180㎿에 달할 것으로 보고 있다.눈에 보이지 않는 초미세 입자를 광속의 속도로 가속하려면 엄청나게 강력한 전기장이 필요하다는 사실을 감안할 때 CERN이 웬만한 소도시와 견줄만한 에너지를 필요로 하는 것은 당연한 결과다.문제는 이처럼 막대한 전력을 해당지역의 전력망에 의해 공급받을 수 있는가 여부. 그렇지 못하다면 인근지역에 정전사태가 빈발할 것이 자명하기 때문이다.이에 대해 LHC 건설을 담당하고 있는 마이크 라몬트는 안심해도 된다고 말한다. CERN의 전력 필요량은 제네바 전체의 10%에 불과해 전력 부족으로 정전될 가능성은 희박하다는 것.오히려 그는 LHC가 이전의가속기인 대형 전자-양전자 충돌기(LEPC)보다 전력 사용량을9% 낮출 수 있다고 덧붙였다.

CERN의 진짜 걱정은 다른데 있다.얼마나 부과될지 상상조차 어려운 전기료가 바로 그것이다.

기계장치 구입비용으로만 이미 40억 달러(3조8,000억원)가 지출된 상황에서 가동에 필요한 천문학적인(?)전기료가 재정 압박으로 이어질 것이 자명하다는 이유에서다.이에 따라 CERN은 전기료가 가장 비싼 겨울에는 LHC의 가동을 중단할 계획까지 세우고 있다.물론 휴가철인 여름에 땀 흘려 일하는 것은 결국 유럽식이 아니다.하지만 이들은 우주의 비밀을 밝혀내는 일이 한가한 휴가보다 중요하다는 사실을 알고 있다.
 

“스트레인지 뷰티”(조지 존슨 지음)

"우리가 가진 물리학의 근본적 측면에서 유용한 지식 가운데 머리 겔만과 관련되지 않은 것은 하나도없다"(리처드 파인만) 입자물리학의 기초를 닦은 천재 물리학자 머리 겔만(75)의 생애와 업적을 다룬 전기이다. 미국 뉴욕시에서 태어난 겔만은 일찌감치 신동으로 이름을 날렸다. 14세에 고등학교 수석 졸업, 18세에 예일대학 졸업, 21세에 매사추세츠공대(MIT) 박사학위 취득, 25세에 캘리포니아공대 정교수 임용 등 그에겐 항상 '최연소' '천재'라는 수식어가 붙었다. 겔만의 진가는 이전까지 근본입자로 알려진 소립자(양성자.전자.중성자)보다 미세한 입자의 존재를 주장하면서 빛나기 시작했다. 그는 우주선이 지구의 대기와 충돌할 때 만들어지는 '기묘한 입자'에 매달려 '아원자입자 (subatomic particle)' 주기율표와 '쿼크(Quark)'라는 새로운 개념을 내놓았다.쿼크는 아원자입자를 구성하는 것으로, 물질의 형태를 만드는 기본적인 입자. 지금까지 규명된 입자 가운데 가장 미세한 입자, 즉 근본 입자인 셈이다.쿼크는 업(Up).다운(Down).스트레인지(Strange).참(Charm).보텀(Bottom).톱(Top) 등 6가지로 분류된다. 톱쿼크를 제외한 5가지 쿼크의 존재는 이미 규명된 상태이며 톱 쿼크가 존재할 개연성도 점차 커지고 있다. 만약 쿼크의 존재와 구성이 완전히 증명된다면 물질형성의 구조를 파악할 수있는 혁명적인 계기가 될 것이다. 겔만은 쿼크 가설을 내놓은 공로로 40세인 1969년 노벨 물리학상을수상했다.

통일장 이론에서..

M-이론은 우주의 모든 것을 서술하는 통일장이론의 강력한 후보로 급부상하고 있다.

끈이론이 통일장 이론을 향해 거침없이 나아가면서 과학자들의 초끈이론 이야말로 궁극의 이론이라고 생각하였다. 그러나 끈의 방정식을 유도하여 계산하는 과정에서 5개의 식이 나타나 과학자들을 헷갈리게 만들었다. 어느 식을 선택 해야 하며 어느것이 옳은 지를 몰랐던 과학자들은 끈이론의 문제점에서 큰 고민을 하지 않을 수 없었다. 이 때, 끈이론의 대가 에드워드 위튼은 그 끈이론 5개를 통합하는 것을 알아내었다. 5개의 식은 근본적으로 같은 것이며 우주의 기본 단위를 막(Membrane)으로 생각했으며, 우리 우주는 11차원으로 이루어졌다고 생각하게 되었다. 끈이론은  새로운 혁명을 맞이하게 되었고, 우리가 찾으려는 궁극의 통일장이론의 강력한 후보가 되어가고 있다.
거대한 차원의 막은 서로 충돌할 수도 있으면 그 기간은 수 조년 단위라고 한다. 인플레이션이론을
비롯한 M-이론을 조합하면 우주초기의 수수께끼에도 좋은 해답을 제시할 것으로 생각된다.
 *추천: 우주의 구조, 엘러건트 유니버스 (저자: 브라이언 그림)
 

초끈이론 [超-理論, super-string theory]

우주를 구성하는 최소 단위를 양성자·중성자·전자 같은 소립자나 쿼크 등 구(球)의 형태가 아니라, 이보다 훨씬 작으면서도 끊임없이 진동하는 아주 가느다란 끈으로 보는 이론이다. 1970년대 초부터 등장하기 시물리학자 J.슈워츠와 영국의 M. 그린이 본격적으로 연구했다.

이 이론이 등장하기 전까지 우주의 궁극적 원리를 설명하는 이론은 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학이 절대적인 위치를 차지하고 있었다. 그러나 시간·공간·중력의 원리 등을 바탕으로 우주 전체의모습을 거시적 연속성으로 보는 상대성이론으로는 불확정성원리에 의해 움직이는 미시적인 세계는 설명할 수 없다. 미시적인 입자들을 불확정적인 확률로 기술하는 양자역학으로는 거시적인 우주의 모습을 기술할 수 없다. 따라서 궁극적인 우주의 원리를 설명하려 할 때 이 두 이론은 결국 충돌할 수밖에 없다. 초끈이론은 끈이론에서 발전한 이론으로, 우주의 최소 단위가 마치 소립자나 쿼크처럼보이면서도 이보다 훨씬 작고 가는 끈으로 이루어져 있어, 1차원적인 끈의 지속적인 진동에 의해 우주 만물이 만들어진다고 가정한다. 만약 이 이론이 맞는다면, 상대성이론의 거시적 연속성과 양자역학의 미시적 불연속성 사이에 존재하는 모순을 해결할 수 있다. 나아가 두 이론을 하나의 통일된 체계로 설명할 수 있게 됨으로써 마침내 우주의 궁극적 원리를 규명하는 것도 가능해 진다.

초끈이론에서는 끈들이 진동하는 유형에 따라 입자마다 고유한 성질이 생기고, 우주를 생성과 소멸의과정으로 보는 빅뱅 이론과 달리 영원히 성장과 수축을 반복하는 존재로 본다. 또 우리가 살고 있는우주 외에 수많은 다른 우주가 각각의 물리법칙에 따라 존재한다고 가정한다. 그러나 우주의 최소 단위인 끈이 시간의 변화에 따라 어떤 특이성을 가지는지, 즉 우주가 왜 갑자기 성장을 하게 되었는지등에 관한 이유를 입증하지 못해 아직까지는 불완전한 이론으로 남아 있다. 1995년 초끈이론의 여러가지 이론을 단일체계로 통합시켜 M이론을 제시한 미국의 위튼(Edward Witten), Jim Gates, 스텐퍼드 선형가속장치센터(SLAC)의 실버스타인(Eva Silverstein), 영국의 수학자 아티야(Michael Francis Atiyah) 등이 있다. 한국도 이 분야의 연구가 활발해 2004년 서울대 물리학부의 이수종(李洙宗) 교수가 독일 훔볼트재단에서 주는 베셀상을 받았다. 그밖에 조용민(趙庸民)·이필진도 초끈이론의 권위자로 꼽힌다.

 :우리가 이해하는 4차원(쿼크와 렙톤)에 7차원 또는 11차원에 존재하는 끈들의 조화  =>
  초끈이론(Super String)
 

 
==> "암흑물질과 에너지" 폴더에서 자세한 자료 보충되어 있읍니다.