입자물리학(粒子物理學,particle physics)은 보통물질과방사선 등 자연의 기본 입자를 연구하는물리학의 분야 중 하나이다. 현재의 해석으로는 입자는양자장을 가지고 있으며 역학에 따라 상호작용한다는 것이다. 비록 입자라는 단어가 많은 물체를 뜻하지만(양성자, 기체 입자, 심지어는 가정의 먼지 등), 입자물리학이라는 용어는 보통 우주의 기본 입자 물체를 연구하는 것을 의미한다. 이는 입자 관찰을 설명하고 정의하기 위해 필요하며, 다른 중요 분야와의 조합으로는 설명할 수 없는 분야이다. 기본 장과 역학의 현재 설정은표준 모형이라는 이론으로 요약되어 있으며, 입자물리학은 크게 표준 모형을 구성하고 있는 입자 연구와 가능한 확장 연구로 나뉜다.
구체적으로, 입자라는 용어는 입자물리학이양자역학의 지배를 받기 때문에 고전역학에서는 잘못된 용어이다. 따라서, 특정한 상황에서파동이 입자같은 성질을 띌 때와 같은파동-입자 이중성 현상을 설명할 수 없다. 보다 기술적 측면에서,힐베르트 공간의양자 상태벡터로 설명하며, 이 공간은양자장론에서 처리하고 있다. 입자물리학의 규칙에 따라, "기초 입자"는 전자나 광자같은 잘 알려진 유형의 입자뿐 아니라 파동 속성을 가지고 있는 입자도 포함되어 있다.
모든 입자와, 그 입자와 상호작용하는 입자는 양자장론에 따라 기술되며표준 모형 내에 있다.[1] 표준 모형에는 총 61개의 기본 입자가 있다.[2] 이 기본 입자들은 합쳐져서 상위의 입자가 될 수 있으며, 1960년대 이후에 이런 상위 입자들 수백개가 발견되었다. 표준 모형은 현재까지 거의 모든 실험에서 맞는 것으로 판단하고 있다. 그러나, 대부분의 입자들은 자연적으로는 불완전히 설명되며,모든 것의 이론 같은 더욱 근본적인 이론 개발을 기다리고 있다. 최근 몇 년 동안,중성미자의질량 측정 결과 표준 모형과 실험적인 오차가 있는 것이 확인되었다.
역사적으로 볼 때탈레스의 질문에서 나온 생각, 즉모든 것은 물이다라는 명제가 구체적인 형태-"모든 물질은 불로되어 있다"는 철학자 헤라클레이스토스의 주장에서 근본한 것이라 추정되기도 하여 과학보다는 철학에 가까웠던 시절이다.-의 과학의 시작이라고 볼 수도 있지만 근대적인 의미에서의 과학은갈릴레오 갈릴레이의 이론에서부터 시작했다고 할 수 있다.
19세기돌턴은 자신의 이론인화학양론을 이용하여 자연의 요소 각각이 고유한 한 종류의 입자로 구성되어 있다는 결론을 내렸다. 돌턴과 그의 동시대인들은 자연은 기본 입자로 구성되어 있다고 믿었고 이 이름을그리스어로 "나눌 수 없는"을 의미하는 'atomos'를 딴 'atoms'이라는 이름을 붙였다.[4] 그러나, 이 세기 후반에 물리학자들은 사실 원자가 가장 작은 기본 입자가 아니며 더 작은 입자가 있다는 것을 발견했다. 20세기 초핵물리학 및양자역학의 절정에 달할 때 1939년마이트너가한의 실험에 기반을 두어핵분열을 증명하고, 같은 해베테가핵융합을 증명했다. 이 발견은 다른 원자로부터 한 원자를 만들어내는 산업을 활성화시켰고, 수익성은 없지만크라에소포에아도 가능하다. 또한, 이같은 발견으로핵무기 개발을 주도했다. 1950년대부터 60년대까지 충돌 실험으로 다양한 입자들이 발견되었다. 이것으로 인해입자 동물원이라는 용어가 붙었다. 이 용어는 1970년대 중~후반 많은 수의 입자가 상대적으로 적은 기본 입자로 설명할 수 있는표준 모형이 발견되면서 사용하지 않게 되었다.
현재 가장 큰 이슈가 되고 있는 통일 이론은대 통일 이론(Grand Unified Theory:GUT)라고 불리는 것으로, 표준 모형의 모든 힘을 하나의 힘으로 통합하는 것이다. 표준모형의 기반이리 대수의 변환성질이므로 더 큰단순 리대수로 힘을 기술하는 작업이라 할 수 있다.
여기에 중력까지 통합하는 이론을 가칭모든 것의 이론(Theory of Everything:TOE)라고 한다. 이에 대한 후보로끈이론이 있다.
입자물리학의 실험은 기본입자를 찾는 일이다. 기본적으로 현대의 입자 실험 물리학은어니스트 러더퍼드의산란 실험을 확장한 것이다. 즉 아주 속도가 높은 입자를 대상이 되는 물질과 충돌시켜서 발생하는 파편들을 분석하고 거꾸로 재구성한 뒤 대상 물질의 구조를 알아내는 것이다. 더 작은 구조를 알기 위해서는 더욱 속도가 높은 입자들이 필요하다. 이를 위해입자 가속기를 사용하는데, 더 빠른 속도를 얻기 위해서는 더 큰 가속기가 필요하다. 현재 가장 큰 입자 실험 장치는스위스와프랑스의 국경에 있는유럽 입자 물리 연구소(CERN)이다. 이 실험장치는 원형으로 생겼으며 지름이 8km에 이른다.
세계에 있는 실험기관들은 다음과 같다:
유럽 입자 물리 연구소(CERN), 프랑스와 스위스의 국경인제네바에 있다. 중요한 실험은LEP, 즉 거대전자양전자 충돌장치이다. 이는 2001년에 중단되었으며LHC, 즉 거대하드론 충돌장치로 업그레이드 되었다. 2010년 가동을 시작하였으며, 2012년 7월에힉스 보손의 강한 증거를 발견하였다. 소설천사와 악마의 무대가 되기도 했다.
페르미랩(Fermilab)는 미국의 시카고 인근 바타비아에 있다. 현재 주요 기구는 테바트론(Tevatron))이고 양성자와 반양성자를 충돌시킨다.이휘소 박사가 이론 그룹의 리더를 맡았던 곳이고,김영기 박사가CDF 실험 그룹의 공동 대표로 재직했으며, 현재 연구소 부소장을 맡고 있다.
일본 양성자 가속기 연구소(J-PARC) 일본의 토가이무라에 있다. 일본 고에너지 연구소 (KEK)와 일본 원자력 기구(JAERI)가 공동을 출자하여 만들어진 연구소이다. 50 GeV양성자 충돌 가속기를 보유하고 있다. 이 가속기를 이용하여중성미자 진동 실험인T2K를 진행 중이며, 기타 핵물리 및 입자물리학 실험이 진행 중이다. 2011년동일본 대지진으로 시설의 피해를 겪기도 했다.
Robinson, Matthew B., Gerald Cleaver, and J. R. Dittmann (2008) "A Simple Introduction to Particle Physics" -Part 1, 135pp. andPart 2, nnnpp. Baylor University Dept. of Physics.
