소립자 물리학의 표준 모형(標準模型 ; standard model)은 기본적인 힘 중 세가지인 강력, 약력, 전자기력을 설명하는 이론이다. 이 이론은 양자마당이론의 언어로 설명된다. 즉 양자역학과 특수상대성 이론이 합쳐진 이론이다. 지금까지는 세가지 힘에 대한 거의 모든 실험결과가 표준 모형의 예측과 일치하고 있다. 그러나, 표준모형은 모든 기본적인 힘을 설명하는 완전한 이론은 아니다. 왜냐하면, 아직 표준 모형은 중력을 설명하지 못하기 때문이다.

표준 모형의 내용

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표준 모형은 보존과 페르미온 모두를 포함한다. 페르미온은 정수+1/2의 스핀(즉 1/2, 3/2 등)을 갖고, 파울리 배타 원리를 따르는 입자다. 따라서, 페르미온은 동일한 양자상태에 여럿이 같이 있는 것이 불가능하다. 보존은 정수배의 스핀을 갖고, 파울리의 배타 원리와는 상관없이 행동한다.

이들의 상호작용은 게이지 보존에 의해 매개되고, 리대수로 나타낼 수 있는 변환으로 기술된다. 즉, 강한 상호작용은 SU(3)에 의해, 전자기약력은 SU(2)xU(1)에 의해 기술된다. 자발적 대칭 깨짐에 의해 전자기약력은 맥스웰이 기술한 모양 그대로의, U(1)으로 기술되는, 전자기력으로 깨진다. 아래 표에서 볼 수 있듯, 강한 상호작용에 의한 변환은 3개가 한 묶음이며 각각을 편의상 색전하 빨강, 색전하 초록, 색전하 파랑이라고 부르지만 우리가 보는 색과는 관계가 없다. 이러한 역사적인 이유로 강력을 양자색역학이라고 부르기도 한다. 전자기약력의 변환은 2개가 한 묶음이며 각각을 편의상 돌스핀 +1/2, 돌스핀 -1/2이라고 부른다. 표에서 볼 수 있듯 쿼크와 렙톤 모두 약한 상호작용을 느끼나 쿼크만이 강한 상호작용을 느낀다.

표준 모형의 페르미온

페르미온	기호	전하	돌스핀	색전하	질량
1세대
전자	e-	-1	-1/2	0	0.511 MeV
전자 중성미자	νe	0	+1/2	0	< 50 eV
위(up) 쿼크	u	+2/3	+1/2	빨강/초록/파랑	~5 MeV
아래(down) 쿼크	d	-1/3	-1/2	빨강/초록/파랑	~10 MeV
2세대
뮤온	μ-	-1	-1/2	0	105.6 MeV
뮤온 중성미자	νμ	0	+1/2	0	< 0.5 MeV
맵시(charm) 쿼크	c	+2/3	+1/2	빨강/초록/파랑	~1.5 GeV
야릇한(strange) 쿼크	s	-1/3	-1/2	빨강/초록/파랑	~100 MeV
3세대
타우온	τ-	-1	-1/2	0	1.784 GeV
타우온 중성미자	ντ	0	+1/2	0	< 70 MeV
꼭대기(top) 쿼크	t	+2/3	+1/2	빨강/초록/파랑	178 GeV
바닥(bottom) 쿼크	b	-1/3	-1/2	빨강/초록/파랑	~4.7 GeV

참고: 전자와 중성미자 등 강한 상호작용을 하지 않는 입자들을 렙톤이라고 부르기도 한다.

표준 모형의 힘을 매개하는 보존

상호작용	게이지 군	보존	기호	전하	질량
전자기력	U(1)	광자	γ	0	0
약한 상호작용	SU(2)	Z보존	Z0	0	91.19 GeV
		W보존	W±	±1	80.2 GeV
강한 상호작용	SU(3)	글루온	g	0	0

참고: 글루온은 총 8개가 있다. 3가지의 색을 다른 3가지로 바꾸는 조합은 9가지이지만 그 중 하나는 나머지 8개의 조합으로 나타낼 수 있기 때문이다. 마찬가지로 표에서 볼 수 있듯 약한 상호작용을 나태내는 보존은 총 3개가 있다.

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바깥 고리

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The Review of Particle Physics(英)(소립자 물리학의 총론) -- 2002년까지의 소립자 실험과 이론을 정리한 논문)

입자물리학 | 표준 모형

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