[Aether 물리] #13 기본입자 - 뮤온, 전자
매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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뮤온 이야기
소립자라고 하면 작은 입자 전체를 의미하는 하는데, 보다 근본적으로 기본입자와 합성입자로 나눌 수 있습니다. 기본입자는 다른 입자를 구성하는 그야말로 기본이 되는 입자이고, 합성입자는 기본입자들이 강력으로 합성된 입자를 말합니다.
현재까지 기본입자는 모두 17개가 밝혀졌고, 더 나올 수도 있습니다.
물리학자들은 소립자가 자꾸 발견되는 걸 싫어합니다. 왜냐하면 물질을 구성하는 "기본" 입자들의 종류가 늘어나는 것은 뭔가 좀 이상하거든요. 가장 좋은 건 물질은 하나의 기본입자에서 파생되는 것입니다. 간단하고 모든게 이해하기도 쉽겠죠.
아 그리고 위에 기본입자표는 "표준모형'에 따른 것입니다.
표준모형:양자장론의 프레임에서 중력을 제외한 모든 물질과 상호작용을 설명하는 모형
모형이란 말은 다른말로 모델으로써, 물리학자들이 만들어 놓은 모델입니다. 이 모델이 지금은 주류다라는 의미이고, 모델이기 때문에 맞다고 할 수 있는 사정도 아닙니다. 양자세계는 설명할 수 없는 부분도 많고, 어렵기도 해서, 많은 모델들이 있는 상태입니다. 양자역학이 나온지는 120년 정도밖에 안된 상태라 아직 미완성 상태입니다. 지금의 양자역학은 이러한 모델 위에 새워진 모래성과도 같습니다. 기본 모델이 바뀌면 싹 바뀔 수 있는 것이죠.
어쨌든 표준 모형을 따라서 가보겠습니다.
뮤온(muon)이라는 기본입자가 있습니다. 위에 표에도 표시가 되어 있죠.
뮤온에 대한 자세한 내용은 위키를 참고하세요.
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AE%A4_%EC%9E%85%EC%9E%90
뮤온이 발견되었을 때, 우스개소리로 "누가 이런 걸 주문한 거야!"라고 했답니다. 보통 새로운 걸 발견하면 기쁘고 환호를 해야 하는데 말이죠. 이런 반응을 보인데는 이유가 있습니다.
새로 발견된 기본입자인데도, 특징이 별로 없었던 것이죠.
"모형"에 따르면, 뮤온은 그냥 전자와 같은데, 무게만 전자의 207배입니다. 그런데도 뮤온 자체가 다른 입자로 구성되어 있지 않는 것으로 보이니, 좀 거시기 하겠죠.
전자
전자(electron)도 하나의 기본입자입니다. 위 표에서 Lepton계열 첫번째에 표시되어 있습니다. 전자의 발견은 영국의 J. J. 톰슨이 했습니다. 전자를 발견하려고 실험하던게 아니라 인위적으로 번개를 발생하는 진공관 방전 실험을 하다가 발견됐습니다. 진공상태에서 번개처럼 뭔가가 움직이는게 뭔가 하고 봤더니 전자였습니다.
참고로, 입자의 질량은 전자의 질량을 기준으로 합니다. 이 때 단위가 eV/c^2 입니다. eV는 전자볼트로서 전자 1개가 1볼트 만큼의 위치에너지를 증가시킬 때 드는 일로 정의됩니다. 즉 전자 하나가 1볼트의 전위를 갖기 위해 드는 에너지입니다. 1eV는 기본전하량 e와 1V의 곱입니다. 기본전하량은 전자 1개가 가지고 있는 전하값입니다.
유명한 E=mc^2 공식을 이용해서 전자의 질량을 나타냅니다. E에 전자볼트를 넣으면 질량 m은 eV/c^2이 됩니다.
1 eV = 1.60217646 × 10^-19 J
그래서 입자의 질량을 eV/c^2단위로 표시하는 경우가 많습니다. 전자의 질량이 0.511MeV/c^2로 표시된다는데 왠지 유도해 보고 싶어졌습니다. 전자의 질량을 eV/c^2로 변환하기 위한 과정을 거쳐 보려고 합니다.
전자의 질량은 직접 측정할 수가 없고, 질량당 전하량의 비인 비전하(e/m)을 실험으로 측정할 수가 있습니다. 비전하를 구하게 되면 전하값 e는 알고 있기 때문에 질량 m을 구할 수 있게 됩니다. 이렇게 해서 구한 전자의 질량값입니다.
m = 9.1 x 10^-31 kg
이 값을 eV/c^2 단위로 표시하기 위해 다음과 같이 합니다.
E = mc^2 = 9.1 x 10^-31 kg * (3 x 10^8 m/s)^2 = 8.19^10-14 kg m^2/s^2
= 8.19^10-14 J = 0.511MeV
m = 0.511Mev/c^2
자료를 찾다보니 괜찮은 자료가 있어서 공유합니다.
https://ninesixhome.files.wordpress.com/2019/09/5e18492e185a7e186abe18483e185a2e18486e185aee186afe18485e185b5e18490e185a1e186b7e18480e185ae.pdf
그런데 전자의 기본 전하량은 말 그대로 기본, 기준이 되는 전하량이어야 하는데, 쿼크라는 녀석이 발견됐는데, 기본 전하량의 1/3입니다. 기본이 잘못 정해진 것이지요. 앞으로 또 어떤 것들이 새로 발견되어 기존 모형들을 바꿔 나갈까요?
전자의 특성은 다음과 같습니다.
글을 쓰면서도 헷갈리는 부분이 많네요. 자료마다 내용들이 좀 다른 부분도 있고, 예를 들어 기본입자는 반지름이 0이고 점입자라는 내용도 있습니다. 앞으로 험난한 길이 예상되지만 꿋꿋이 나아가서 잠자고 있는 이더 물리, 그 너머까지 행진해보겠습니다.
참고
소립자 물리학은 다음 책을 참고하였습니다.
- 위키
- 나무위키
- 현대 물리 탐구