교양 수준에서 정리

페르미온과 보손

• 표준 모형은 크게 페르미온과 보손으로 구분된다.
  • 페르미온은 페르미-디랙 통계를 따르는 입자로서, 우리가 생각하는 물질을 구성함.
  • 보손은 보스-아인슈타인 통계를 따르는 입자로서 물질 사이의 힘을 매개함.
  • 페르미온은 파울리의 배타원리를 따르기 때문에 서로 다른 입자가 같은 양자 상태를 가질 수 없는 반면, 보손은 배타원리를 따르지 않기 때문에 여러 입자가 동일한 상태를 가질 수 있음.
  • 더불어 페르미온은 반정수의 스핀을 갖는 반면 보손은 정수 스핀을 갖는다. —반정수 스핀이란 정수에 1/2을 더해서 나타낼 수 있는 수을 말한다.
• 표준모형은 12개의 페르미온(쿼크 6개, 랩톤 6개)와 5개의 보손으로 구성되어 총 17개의 입자를 기본 입자로 정의한다.

페르미온

페르미온은 다시 쿼크와 랩톤으로 구분되는데, 쿼크는 강력으로 붙들리는 입자이며, 랩톤은 약력에 관여하는 입자.

• 쿼크(quark)는 up, down, charm, strange, top, bottom의 6가지가 존재
• 랩톤(lepton)은 전자, 전자-뉴트리노, 뮤온, 뮤온-뉴트리노, 타우, 타우-뉴트리노 6가지가 존재
• 페르미온 입자들은 발견된 순서에 따라 세대가 구성되는데
  • up 쿼크, down 쿼크, 전자, 전자-뉴트리노는 1세대 입자들이며
  • charm 쿼크, strange 쿼크, 뮤온, 뮤온-뉴트리노는 2세대 입자들
  • top 쿼크, bottom 쿼크, 타우, 타우-뉴트리노는 3세대 입자들이다.

보손

보손은 우주에 존재하는 4가지 힘인 강력, 약력, 전자기력, 중력 중에서 중력을 제외한 3가지 힘을 매개하는 입자 4개와 추가로 힉스 입자가 존재 —중력을 매개하는 입자는 표준 모형에 없다.

• 전자기력을 매개하는 입자가 광자
• 강력을 매개하는 입자가 글루온
• 약력을 매개하는 입자가, w±보손과 z보손
• w±보손과 z보손에 질량을 부여하는 입자가 힉스 입자

입자 간의 상호작용은 보손을 주고 받는 것으로 정의 됨. 쿼크는 글루온을 주고 받고, 원자핵과 전자는 광자를 주고 받는 식.

힉스 입자는 만물에 질량을 부여하는 입자가 아니라, w±보손과 z보손에만 질량을 부여한다. 우리가 생각하는 질량은 힉스 입자가 부여한게 아니라 그냥 입자들이 가진 에너지에 의해 표현된 것이다. —그 둘은 사실 동일한 것. 현대 입자 물리학에서는 질량과 에너지가 동일하기 때문에 이 둘을 따로 구분하지 않고, 그냥 에너지로 표현한다고 한다.

참조 자료

딱 17개 입자면 모든 물질의 상호작용을 설명할 수 있습니다

페르미온(fermion) | 과학문화포털 사이언스올