입자 물리학
기본 입자
입자 물리학은 우주를 구성하는 가장 근본적인 단위인 '기본 입자(fundamental particles)'를 연구합니다. 이들은 더 이상 쪼갤 수 없는 입자이며, 대표적으로 쿼크(quarks), 렙톤(leptons), 그리고 게이지 보손(gauge bosons)이 있습니다. 전자는 렙톤의 일종이고, 쿼크는 양성자와 중성자 같은 핵자의 구성 요소입니다. 이 기본 입자들은 스핀, 질량, 전하 등의 고유한 특성을 가지고 상호작용하며 물질을 구성합니다.
표준 모형
표준 모형(Standard Model)은 현재 입자 물리학에서 가장 성공적인 이론입니다. 이 이론은 모든 기본 입자들과 그들 간의 상호작용(강력, 약력, 전자기력)을 설명하며, 중력만 제외되어 있습니다. 표준 모형은 전자, 쿼크, 중성미자, 글루온, 광자, W/Z 보손 등 17종류의 입자를 포함하며, 2012년 CERN에서 발견된 힉스 보손(Higgs Boson)을 통해 이론의 중요한 퍼즐 조각이 완성되었습니다.
힉스 보손
힉스 보손(Higgs Boson)은 입자에 질량을 부여하는 역할을 하는 힉스 메커니즘(Higgs Mechanism)의 결과물로 예측되었고, 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(LHC) 실험을 통해 그 존재가 확인되었습니다. 이 입자는 우주 초기의 대칭이 깨지며 입자들이 질량을 가지게 되는 원리를 설명하며, 표준 모형의 핵심적인 요소입니다. 힉스 보손의 발견은 이론 물리학과 실험 물리학의 큰 쾌거로 평가됩니다.
반물질
반물질(antimatter)은 일반 물질과 같은 질량을 가지지만, 반대의 전하를 지닌 입자들로 구성되어 있습니다. 예를 들어, 전자의 반입자는 양전자(positron)이며, 전하가 +1입니다. 물질과 반물질이 만나면 에너지로 소멸하는 '상멸 반응(annihilation)'을 일으키는데, 이는 핵융합보다 더 많은 에너지를 발생시킬 수 있습니다. 우주 초기에 물질과 반물질은 거의 동일한 양으로 생성되었지만 현재는 물질이 우세하며, 그 이유는 여전히 물리학의 미해결 과제입니다.
대형강입자충돌기
대형강입자충돌기(LHC, Large Hadron Collider)는 스위스와 프랑스 국경에 위치한 CERN에서 운영하는 세계 최대의 입자 가속기입니다. 이 장치는 두 개의 양성자 빔을 광속에 가까운 속도로 가속시킨 후 충돌시켜 고에너지 상태를 만들어 입자들을 분석합니다. LHC는 힉스 보손의 발견 외에도 초대칭 입자, 암흑 물질, 새로운 물리학의 실마리를 찾기 위한 중요한 도구로 활용되고 있으며, 현대 물리학의 최전선에서 핵심적인 역할을 합니다.