기본 입자(쿼크 및 레프톤)

표준 모형은 기본 입자와 그 사이의 세 가지 기본 상호작용을 설명하는 현대 물리학의 이론적 틀이다. 이 모형의 발전은 20세기 중반부터 여러 이론적 통찰과 실험적 발견이 축적되면서 이루어졌다.

초기 발전의 핵심은 전자기력과 약한 상호작용을 하나의 이론으로 통합한 전약 이론이었다. 셸던 글래쇼, 압두스 살람, 스티븐 와인버그는 1960년대 후반에 이 통일 이론을 완성했으며, 이를 통해 광자와 W 보손, Z 보손이 같은 근원에서 비롯됨을 보였다[2]. 1970년대와 1980년대에 진행된 실험들은 이 이론의 예측, 특히 W와 Z 보손의 존재를 확인하며 전약 이론을 확고히 검증했다.

한편, 강한 상호작용을 설명하는 양자 색역학도 1970년대 초에 정립되었다. 이 이론은 쿼크 사이의 힘을 글루온이라는 매개 입자를 통해 설명하며, 쿼크가 가진 색전하 개념을 도입했다. 전약 이론과 양자 색역학이 결합되고, 여기에 실험적으로 발견된 페르미온(쿼크와 레프톤)들을 체계적으로 배열함으로써 오늘날 알려진 표준 모형의 완전한 형태가 갖추어졌다.

표준 모형의 성공은 놀라운 예측 능력에서 드러난다. 예를 들어, 꼭대기 쿼크의 존재와 질량 범위를 예측했으며, 이후 1995년 페르미랩에서의 실험으로 그 존재가 확인되었다. 아래 표는 표준 모형 발전의 주요 이정표를 보여준다.

1964년, 머리 겔만과 조지 츠바이크는 각각 독립적으로 쿼크 모형을 제안했다. 이 모형은 당시 알려져 있던 수많은 강입자들이 더 기본적인 세 개의 구성 요소로 이루어져 있다고 설명했다. 겔만은 이 구성 입자들을 "쿼크"라고 명명했으며, 츠바이크는 "에이스"라고 불렀으나 후에 쿼크라는 명칭이 정착되었다.

초기 모형은 위(업 쿼크), 아래(다운 쿼크), 기묘(스트레인지 쿼크)라는 세 종류의 쿼크를 가정했다. 각 쿼크는 분수 전하를 가지며, 바리온은 세 개의 쿼크로, 중간자는 한 쿼크와 한 반쿼크로 구성된다고 설명했다. 예를 들어, 양성자는 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크(uud)로, 중성자는 두 개의 다운 쿼크와 한 개의 업 쿼크(udd)로 설명될 수 있었다.

이 모형은 강입자의 분류 체계인 팔정도를 매우 우아하게 설명할 수 있었지만, 당시에는 쿼크의 직접적인 실험적 증거가 없었다. 또한, 분수 전하를 가진 입자가 고립되어 관측된 적이 없었기 때문에 일부 물리학자들은 회의적이었다. 쿼크 모형은 이후 색전하 개념의 도입과 함께 양자색역학으로 발전하게 되었다.

레프톤의 발견은 19세기 말 전자의 발견으로 시작되었다. 1897년, 조지프 존 톰슨이 음극선 실험을 통해 전자를 발견하면서, 물질을 구성하는 최초의 기본 입자가 확인되었다[3]. 전자는 음의 전하를 가지며, 원자 내부에서 원자핵 주위를 도는 것으로 이해되었다.

1930년대에 이르러 두 번째 레프톤인 뮤온이 발견되었다. 1936년, 칼 데이비드 앤더슨과 세스 네더메이어가 우주선 연구 중 전자보다 무겁지만 전하가 같은 새로운 입자를 관측했고, 이를 뮤온으로 명명했다[4]. 뮤온은 처음에는 유카와 히데키가 예측한 중간자로 오인되기도 했으나, 후에 전자와 같은 레프톤 가족에 속하며 강한 상호작용을 하지 않는 것이 확인되었다.

세 번째 전하를 띤 레프톤인 타우 입자는 1975년 SLAC의 마틴 펄 연구팀에 의해 발견되었다. 이 발견으로 레프톤이 적어도 세 '세대'가 존재한다는 것이 증명되었으며, 펄은 이 공로로 1995년 노벨 물리학상을 공유했다. 각 전하를 띤 레프톤에는 대응되는 중성미자가 존재한다는 이론(폴리 중성미자 정리)에 따라, 전자 중성미자는 1956년 클라이드 코원과 프레더릭 라인스에 의해, 뮤온 중성미자는 1962년에, 타우 중성미자는 2000년대 초에 각각 실험적으로 관측되었다.

쿼크는 세 개의 세대로 나뉘며, 각 세대는 질량과 특성이 다른 한 쌍의 쿼크로 구성된다. 첫 번째 세대에는 가장 가벼운 위 쿼크와 아래 쿼크가 포함된다. 이들은 안정적이며, 우주의 일반적인 물질(양성자와 중성자)을 구성하는 기본 요소이다. 위 쿼크는 +2/3의 전하를, 아래 쿼크는 -1/3의 전하를 가진다.

두 번째 세대에는 매력 쿼크와 기묘 쿼크가 있다. 이들은 첫 번째 세대 쿼크보다 훨씬 무겁고, 불안정하여 매우 짧은 시간 안에 첫 번째 세대 쿼크로 붕괴한다. 매력 쿼크는 1974년 J/ψ 입자의 발견으로 확인되었으며, 기묘 쿼크는 1947년 카이온과 같은 이상한 입자들의 관찰을 통해 그 존재가 예측되었다.

세 번째 세대에는 가장 무거운 꼭대기 쿼크와 바닥 쿼크가 있다. 바닥 쿼크는 1977년 업실론(Υ) 입자에서 발견되었고, 꼭대기 쿼크는 1995년 페르미랩과 CERN의 실험에서 직접 관측되었다. 꼭대기 쿼크의 질량은 금 원자핵과 비슷할 정도로 매우 커서, 그 특성 연구는 힉스 메커니즘 이해에 중요하다.

각 세대의 쿼크 특성은 아래 표와 같이 정리할 수 있다.

색전하는 쿼크와 글루온이 강한 상호작용을 통해 결합하는 데 책임을 지는 근본적인 양자수이다. 이는 우리가 일상에서 접하는 색깔과는 무관한 비유적 표현으로, 쿼크가 가질 수 있는 세 가지 종류의 '색荷'([6])—빨강, 초록, 파랑—를 가리킨다. 모든 관측 가능한 강입자(하드론)는 색전하가 중성화된 상태, 즉 '색없음'(colorless) 상태여야 한다는 규칙이 있다. 이는 쿼크 세 개가 모여 각각 다른 색전하(빨강, 초록, 파랑)를 가져 백색을 이루는 바리온(예: 양성자, 중성자)이 되거나, 쿼크와 반쿼크가 서로 보색 관계의 색전하를 가져 중화되는 중간자(예: 파이온)가 되는 방식으로 달성된다.

강한 상호작용은 색전하를 가진 입자들 사이에서 글루온이라는 교환 입자를 매개로 작용한다. 전자기력이 전하를 가진 입자 사이에서 광자를 매개로 작용하는 것과 유사하지만, 결정적인 차이가 있다. 글루온 자신도 색전하를 지니기 때문에, 글루온들끼리 직접 상호작용할 수 있다. 이 자기 상호작용 특성은 강한 상호작용의 두드러진 성질인 색가둠 현상을 설명하는 핵심이다.

색가둠은 색전하를 가진 입자(쿼크와 글루온)가 고립된 상태로 존재할 수 없음을 의미한다. 쿼크들을 서로 떼어놓으려고 할 때, 그 사이에 작용하는 강한력은 거리가 멀어질수록 오히려 강해진다[7]. 결국 쿼크를 분리시키는 데 필요한 에너지가 새로운 쿼크-반쿼크 쌍을 생성하는 데 충분해지면서, 항상 색중성인 강입자 상태로만 관측된다. 이 때문에 개별적인 '자유 쿼크'는 자연계에서 직접 관찰된 적이 없다.

쿼크의 질량은 종류에 따라 매우 큰 차이를 보인다. 가장 가벼운 위 쿼크와 아래 쿼크의 질량은 수 MeV/c² 수준이지만, 가장 무거운 꼭대기 쿼크의 질량은 약 173 GeV/c²에 달한다[8]. 쿼크의 전하는 기본 전하(e)의 분수 값을 가지며, 위, 매력, 꼭대기 쿼크는 +2/3e, 아래, 기묘, 바닥 쿼크는 -1/3e의 전하를 가진다.

레프톤의 질량 역시 다양하다. 전자는 약 0.511 MeV/c²의 가벼운 질량을 가지는 반면, 뮤온과 타우 입자는 각각 전자보다 약 207배, 3477배 무겁다. 전하를 가진 레프톤(전자, 뮤온, 타우)은 -1e의 전하를 가지며, 이들의 대응 중성미자는 전하를 가지지 않는다.

쿼크와 레프톤의 질량과 전하를 요약하면 다음과 같다.

이러한 질량과 전하의 값은 표준 모형의 핵심 매개변수이며, 입자의 붕괴 방식과 상호작용 세기를 결정하는 중요한 요소이다. 특히 쿼크의 질량은 힉스 메커니즘을 통해 생성되는 것으로 이해된다.

전자는 레프톤 가운데 가장 가벼우며 가장 먼저 발견된 입자이다. 전하는 -1의 기본 전하를 가지며, 스핀은 1/2이다. 전자는 원자를 구성하는 핵심 요소로, 원자핵 주위를 돌며 화학 결합을 결정한다. 전자의 질량은 약 0.511 MeV/c²이다.

뮤온은 1936년 우주선 연구 중 발견되었으며, 전자와 동일한 전하(-1)와 스핀(1/2)을 가진다. 그러나 질량은 전자의 약 207배(약 105.7 MeV/c²)로 훨씬 무겁다. 뮤온은 불안정하여 평균 수명이 약 2.2 마이크로초이며, 전자와 전자 중성미자, 뮤온 중성미자로 붕괴한다.

타우 입자는 1975년 SLAC 국립 가속기 연구소에서 발견된 세 번째 하전 레프톤이다. 전하와 스핀은 전자, 뮤온과 동일하지만, 질량은 약 1777 MeV/c²로 전자보다 약 3,500배 무겁다. 타우 입자의 수명은 매우 짧아 약 290×10⁻¹⁵초이며, 다양한 경로를 통해 붕괴한다[9].

이 세 입자는 질량과 수명을 제외하면 전하, 스핀, 약한 상호작용 방식이 동일하다. 이들은 각각 대응하는 중성미자와 함께 레프톤의 세 '세대'를 형성한다. 아래는 세 하전 레프톤의 주요 특성을 비교한 표이다.

중성미자는 레프톤 가운데 전하를 갖지 않는 매우 가볍고 상호작용이 약한 기본 입자이다. 전자, 뮤온, 타우 입자에 각각 대응하는 세 종류의 중성미자가 존재하며, 각각 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자로 불린다. 이들은 약한 상호작용과 중력에만 참여하며, 전자기 상호작용이나 강한 상호작용에는 관여하지 않는다. 그 통과 능력이 매우 뛰어나 대부분의 물질을 거의 방해받지 않고 통과하기 때문에 관측이 매우 어려운 입자로 알려져 있다.

세 종류의 중성미자는 각각 대응하는 하전 레프톤(전자, 뮤온, 타우)과 함께 생성되거나 소멸되는 경향이 있다. 예를 들어, 베타 붕괴 과정에서는 전자 중성미자가 방출된다. 이들의 존재는 1930년 볼프강 파울리에 의해 베타 붕괴 스펙트럼의 연속성을 설명하기 위해 처음 제안되었다. 이후 1956년 클라이드 코원과 프레더릭 라인스에 의해 전자 중성미자가 직접 관측되어 그 실존이 확인되었다[10].

중성미자는 오랫동안 질량이 정확히 0이라고 여겨졌으나, 1990년대 후반부터 진행된 중성미자 진동 실험 관측 결과, 서로 다른 맛(flavor)의 중성미자 사이에 전이가 일어나는 현상이 확인되면서 질량을 가져야 함이 밝혀졌다. 이는 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학의 증거로 간주된다. 그러나 그 절대적 질량값은 여전히 매우 작은 것으로 추정될 뿐 정확히 측정되지 않은 상태이며, 이는 현대 입자물리학의 주요 미해결 과제 중 하나이다.

레프톤은 약한 상호작용에 참여하는 주요 페르미온이다. 이 상호작용은 전하 약한 흐름과 중성 약한 흐름이라는 두 가지 경로를 통해 일어난다. 전하 약한 흐름은 W 보손의 매개 하에 한 종류의 레프톤이 다른 종류로 변환되는 과정을 포함한다. 예를 들어, 베타 붕괴에서 중성미자가 생성되거나, 뮤온 붕괴에서 전자가 생성되는 현상이 이에 해당한다.

반면, 중성 약한 흐름은 Z 보손에 의해 매개되며, 이 과정에서 레프톤의 종류는 변하지 않는다. 레프톤은 Z 보손과 직접 상호작용하여 산란되지만, 그 본래의 전자기 전하나 맛깔(flavor)은 보존된다. 이 상호작용의 세기는 각 레프톤이 지니는 약한 초전하와 약한 아이소스핀에 의해 결정된다.

약한 상호작용은 맛깔 변화를 허용하는 유일한 기본 상호작용이다. 이는 쿼크에 대해서도 적용되지만, 레프톤의 경우 특별한 보존 법칙이 존재한다. 레프톤 수는 총 레프톤 수와 각 세대별(전자, 뮤온, 타우) 레프톤 수가 개별적으로 보존된다. 예를 들어, 전자 중성미자가 나타날 때는 반드시 전자(또는 양전자)가 함께 생성되거나 소멸해야 한다[11]. 이 법칙은 약한 상호작용의 많은 과정을 지배한다.

강한 상호작용은 쿼크 사이에 작용하는 힘으로, 글루온이라는 매개 입자를 통해 전달된다. 이 상호작용은 색전하라는 특수한 양자수를 가진 입자들 사이에서만 일어난다. 쿼크는 적색, 녹색, 청색의 세 가지 색전하 중 하나를 가지며, 글루온은 색전하와 반색전하를 동시에 운반한다. 강한 상호작용의 주요 특징은 거리가 멀어질수록 힘이 강해지는 색가둠 현상이다. 이로 인해 단독 쿼크는 관측되지 않고 항상 두 개나 세 개가 모여 색전하가 중화된 강입자를 형성한다.

강한 상호작용의 이론적 틀은 양자 색역학이다. 이 이론은 게이지 이론의 하나로, 글루온이 쿼크 사이의 색전하를 교환하면서 힘을 매개하는 과정을 설명한다. 글루온은 총 8종류가 존재하며, 서로 상호작용할 수 있다는 점이 전자기력을 매개하는 광자와의 결정적 차이이다. 이 글루온-글루온 상호작용은 강한 상호작용의 복잡한 성질을 결정짓는 요인이다.

쿼크와 글루온의 결합은 강입자를 구성하는 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 쿼크 세 개가 모여 형성하는 입자는 바리온(예: 양성자, 중성자)이며, 쿼크와 반쿼크가 한 쌍을 이루어 형성하는 입자는 중간자(예: 파이온, 카온)이다. 이들 입자의 내부 에너지 상태나 조합에 따라 수백 종류의 강입자가 존재한다. 강한 상호작용의 잔류력은 양성자와 중성자를 원자핵 속에 묶어두는 핵력을 설명하는 근간이 된다.

약한 상호작용은 기본 입자 사이의 방사성 붕괴를 비롯한 특정 과정을 매개하는 기본적인 힘이다. 이 상호작용은 W 보손과 Z 보손이라는 세 개의 중간자(보손)에 의해 전달된다. W 보손은 전하를 띠며(+1 또는 -1), Z 보손은 전기적으로 중성이다.

약한 상호작용의 가장 두드러진 특징은 맛깔 변화를 일으킨다는 점이다. 예를 들어, 베타 붕괴 과정에서 중성자가 양성자로 변할 때, 중성자 내의 한 개의 아래 쿼크가 위 쿼크로 변환되며, 이때 W- 보손이 방출된다. 또한, 이 상호작용은 패리티 대칭을 심각하게 위반한다는 점에서 다른 상호작용과 구별된다[12].

약한 상호작용의 세기와 거리는 보손의 큰 질량에 의해 결정된다. W와 Z 보손의 질량은 약 80-90 GeV/c² 수준으로, 이로 인해 약한 상호작용의 효과는 매우 짧은 거리(대략 10⁻¹⁸ m 미만)에서만 나타난다. 이는 광자가 질량이 없어 전자기력이 장거리에 미치는 것과 대비된다.

이 상호작용은 모든 쿼크와 레프톤에 영향을 미치지만, 중성미자는 오직 약한 상호작용(및 중력)을 통해서만 다른 입자와 상호작용한다는 점이 중요하다. 약한 상호작용은 전자기 상호작용과 통일되어 전약력을 형성한다는 점에서 표준 모형의 핵심 기둥 중 하나이다.

광자는 전자기력을 매개하는 기본 입자이며, 표준 모형에서 게이지 보손에 속한다. 광자는 질량이 0이며, 스핀은 1이다. 전하를 띠지 않으며, 광속으로 이동한다. 전자기 상호작용은 전하를 가진 모든 입자 사이에서 작용하며, 광자는 이 상호작용의 매개자 역할을 한다.

광자는 전하를 가진 입자, 예를 들어 쿼크나 전자와 같은 레프톤 사이의 힘을 전달한다. 이 상호작용은 전자기력의 근원이 되며, 원자 내에서 전자와 원자핵을 결합시키는 힘을 설명한다. 또한, 빛의 본질을 입자적으로 설명하는 것이 바로 광자이다.

광자는 강한 상호작용이나 약한 상호작용과 달리 무한한 거리까지 영향을 미칠 수 있다. 그러나 거리의 제곱에 반비례하여 힘이 약해지기 때문에, 원자 수준에서 가장 두드러지게 관찰된다. 광자의 발견과 양자역학적 이해는 현대 물리학의 중요한 기둥을 이루었다.

광자는 다른 게이지 보손인 W 보손과 Z 보손, 그리고 글루온과 함께 자연계의 네 가지 기본 힘 중 세 가지(전자기력, 약력, 강력)를 매개하는 입자군을 구성한다. 중력은 중력자가 매개하는 것으로 추정되지만, 아직 실험적으로 발견되지 않았다.

기본 입자는 그 스핀 양자수에 따라 페르미온과 보손의 두 가지 큰 범주로 나뉜다. 쿼크와 레프톤은 모두 스핀이 1/2인 페르미온에 속한다. 이는 파울리 배타 원리를 따르며, 같은 양자 상태를 공유할 수 없다는 특징을 가진다. 페르미온은 물질을 구성하는 기본적인 성분으로 간주된다.

표준 모형에서 페르미온은 다시 쿼크와 레프톤 두 가지 군으로 구분된다. 각 군은 세 쌍, 총 여섯 개의 기본 입자로 이루어져 있으며, 이를 '세대'라고 부른다. 쿼크는 강한 상호작용에 참여하는 반면, 레프톤은 강한 상호작용을 하지 않는다는 점이 근본적인 차이이다.

이 표와 같이, 각 세대의 입자들은 전하와 같은 양자수는 다르지만, 상호작용 방식에서 유사한 패턴을 보인다. 우리가 일상에서 접하는 안정된 물질은 거의 모두 첫 번째 세대의 페르미온, 즉 위 쿼크, 아래 쿼크, 전자로 구성되어 있다. 더 무거운 두 번째와 세대 세대의 입자들은 높은 에너지 환경에서만 생성되며, 매우 짧은 시간 안에 첫 번째 세대의 입자로 붕괴한다.

쿼크와 레프톤은 표준 모형에서 물질을 구성하는 가장 기본적인 성분이다. 이들은 페르미온에 속하며, 반정수 스핀을 가진다. 우리가 일상에서 접하는 모든 물질은 궁극적으로 이들 기본 입자로 이루어져 있다. 원자 내부를 살펴보면, 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되고, 이 핵 주위를 전자가 돌고 있다. 이때 양성자와 중성자는 각각 세 개의 쿼크로 이루어진 복합 입자이며, 전자는 그 자체로 기본 입자인 레프톤에 속한다.

쿼크는 강한 상호작용을 통해 글루온을 매개로 서로 결합하여 중입자나 중간자와 같은 강입자를 형성한다. 예를 들어, 양성자는 두 개의 위 쿼크와 한 개의 아래 쿼크로, 중성자는 한 개의 위 쿼크와 두 개의 아래 쿼크로 구성된다. 반면, 레프톤은 강한 상호작용에 참여하지 않으며, 전자기 상호작용과 약한 상호작용을 통해 다른 입자와 상호작용한다. 전자는 원자 내에서 핵과 전자기력을 통해 결합하여 원자의 구조를 안정화시키는 역할을 한다.

따라서, 모든 물질은 쿼크와 레프톤이라는 기본 입자와, 이들 사이의 힘을 매개하는 게이지 보손이라는 힘의 입자로 설명될 수 있다. 표준 모형은 이러한 기본 입자들의 상호작용을 기술하는 현재 가장 성공적인 이론이다. 그러나 우주를 구성하는 암흑 물질은 표준 모형에 포함된 입자로 설명되지 않아, 물질 구성의 기본 단위에 대한 이해는 여전히 확장되고 있는 중이다.

입자 가속기 실험은 기본 입자와 그 상호작용을 연구하고 표준 모형을 검증하는 핵심적인 방법이다. 입자 가속기는 전자나 양성자와 같은 하전 입자를 극도로 높은 에너지까지 가속시켜 서로 충돌시키는 장치이다. 이러한 고에너지 충돌 과정에서 일시적으로 새로운 무거운 입자들이 생성되거나, 기존 입자들의 상호작용이 관측된다. 대표적인 실험 시설로는 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)가 있으며, 그 외에도 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)의 테바트론(Tevatron) 등이 역사적으로 중요한 역할을 했다.

LHC는 지하 27km 길이의 원형 터널에 설치된 세계 최대 규모의 입자 가속기이다. 주로 양성자 빔을 광속에 가까운 속도로 가속시켜 충돌시키며, 그 충돌 에너지는 테바트론의 약 7배에 달한다. LHC 내부에는 ATLAS, CMS, LHCb, ALICE 등 여러 대형 검출기가 설치되어 있으며, 각각 다른 연구 목표를 가지고 충돌 데이터를 수집하고 분석한다. 2012년 ATLAS와 CMS 실험팀이 LHC 실험 데이터를 통해 힉스 보손을 발견한 것은 표준 모형의 마지막 퍼즐 조각을 채운 획기적인 사건이었다.

이러한 고에너지 실험을 통해 쿼크와 레프톤의 존재와 특성이 직접적 또는 간접적으로 검증되었다. 예를 들어, 꼭대기 쿼크는 너무 무거워서 단독으로 관측될 수 없지만, 충돌 후 생성된 붕괴 산물을 분석함으로써 그 존재와 질량을 확인할 수 있다. 또한, LHC 실험은 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리 현상, 예를 들어 초대칭 입자나 암흑 물질 후보 입자 등을 탐색하는 데에도 활용되고 있다.

중성미자의 관측은 그 미세한 상호작용 단면적과 거의 무시할 수 있는 질량으로 인해 실험적으로 매우 어려운 도전이었다. 초기 관측은 베타 붕괴 연구에서 시작되었으며, 울프강 파울리가 에너지 보존 법칙을 지키기 위해 가상의 입자를 제안한 것이 그 기원이다. 1956년 클라이드 코완과 프레더릭 라인스는 원자로에서 생성된 반중성미자를 이용한 실험에서 중성미자의 존재를 처음으로 직접 검출했다[14]. 이는 중성미자가 단순한 이론적 장치가 아니라 실재하는 입자임을 증명하는 결정적 계기가 되었다.

중성미자 관측 실험은 크게 천연 중성미자원을 이용한 것과 인공적으로 생성된 중성미자 빔을 이용한 것으로 나눌 수 있다. 태양 중성미자 관측은 중요한 분야로, 1960년대 후반부터 진행된 호머스트레이크 실험은 태양 핵융합 반응에서 예측되는 전자 중성미자 플럭스보다 현저히 적은 양의 중성미자를 검출하는 '태양 중성미자 문제'를 제기했다. 이 문제는 후에 중성미자가 중성미자 진동 현상을 통해 맛깔을 바꾼다는 사실이 밝혀지면서 해결되었다. 우주선이 대기와 상호작용하여 생성되는 대기 중성미자의 관측(예: 가미오칸데, 슈퍼카미오칸데) 또한 중성미자 진동을 확인하는 데 결정적 증거를 제공했다.

현대의 중성미자 실험은 매우 대규모로 진행된다. 주요 관측 방법은 다음과 같다.

최근 연구는 중성미자의 절대 질량 측정과 CP 위반 현상 규명에 집중되고 있다. KATRIN 실험은 트리튬 베타 붕괴 스펙트럼의 끝단을 정밀 측정하여 중성미자 질량 상한값을 설정하고 있으며, DUNE 및 T2K와 같은 장기간 베이스라인 실험은 중성미자와 반중성미자의 진동 행동 차이를 관측하여 우주의 물질-반물질 비대칭 문제를 이해하려는 시도를 계속하고 있다.

중성미자 질량 문제는 표준 모형이 예측하는 무질량 중성미자와 실제 관측 결과 사이의 불일치에서 비롯된 근본적인 물리학적 난제이다. 표준 모형에서는 레프톤의 한 종류인 중성미자가 질량을 전혀 갖지 않는 것으로 기술된다. 그러나 1990년대 후반부터 진행된 대기 중성미자 실험과 태양 중성미자 실험은 중성미자가 서로 다른 종류(맛깔) 사이에서 진동하며 변환되는 중성미자 진동 현상을 명확히 관측했으며, 이 현상은 중성미자가 반드시 질량을 가져야만 설명 가능하다는 것을 의미한다[16].

이 발견은 표준 모형을 수정하거나 확장해야 할 필요성을 제기했다. 중성미자에 질량을 부여하는 가장 간단한 메커니즘은 디랙 질량 항을 도입하는 것이지만, 이를 위해서는 우손 중성미자라는 새로운 입자의 존재가 요구된다. 또 다른 가능성은 중성미자가 마요라나 입자로서 자신의 반입자와 동일할 수 있다는 가정 아래 마요라나 질량 메커니즘을 적용하는 것이다. 이 경우 중성미자 이중베타 붕괴와 같은 희귀 과정이 예측되며, 이를 탐색하는 실험이 전 세계적으로 진행 중이다.

중성미자의 절대 질량 규모는 여전히 미지수로 남아 있다. 현재의 실험은 질량 제곱 차이만을 측정할 뿐이다. 절대 질량을 직접 측정하기 위한 베타 붕괴 끝점 실험이나 우주론적 관측([17])이 진행되고 있으며, 그 규모는 전자 질량의 100만 분의 1보다 작을 것으로 추정된다. 또한, 중성미자가 우주의 암흑 물질 구성에 기여할 가능성도 연구되고 있다.

초대칭 입자 탐색은 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리 현상을 찾기 위한 핵심 연구 분야 중 하나이다. 이 탐색은 초대칭성이라는 이론적 개념에 기반을 두는데, 이는 모든 페르미온 입자마다 대응하는 보손 파트너가 존재하고, 그 반대의 경우도 성립한다는 가설이다. 예를 들어, 쿼크의 초대칭 파트너는 '스쿼크'라고 불리며, 전자의 파트너는 '셀렉트론'이라고 불린다. 이러한 초대칭 입자들은 표준 모형 입자와는 다른 질량과 스핀을 가질 것으로 예측되며, 특히 가장 가벼운 초대칭 입자는 암흑 물질의 후보로도 거론된다.

초대칭 입자를 찾기 위한 주요 실험은 대형 강입자 충돌기(LHC)와 같은 고에너지 입자 가속기에서 진행된다. 실험에서는 고에너지 양성자 빔을 충돌시켜 생성된 에너지로부터 새로운 무거운 입자가 생성될 가능성을 탐색한다. 초대칭 입자는 매우 불안정하여 즉시 붕괴할 것으로 예상되므로, 연구자들은 그 붕괴 생성물인 제트, 광자, 뮤온 등의 특정 패턴이나 '누락된 에너지'[18] 신호를 분석하여 간접적으로 그 존재를 추론한다.

지금까지 LHC를 포함한 여러 실험에서 초대칭 입자의 명확한 증거는 발견되지 않았다. 이는 초대칭 입자들이 예상보다 훨씬 무거워 현재 가속기의 에너지로는 생성되지 않았거나, 초대칭성이 자연계에 존재하는 방식이 이론가들의 단순한 예측과 다를 수 있음을 시사한다. 이러한 부정적 결과는 초대칭 이론의 매개변수 공간을 제한하고, 이론을 수정하거나 표준 모형을 확장하는 다른 대안 모델에 대한 관심을 높이는 계기가 되었다.

표준 모형은 기본 입자와 그 상호작용을 성공적으로 기술하지만, 우주의 여러 현상을 설명하지 못하는 한계를 지닌다. 이로 인해 표준 모형을 확장하거나 대체할 새로운 이론들이 연구되고 있다.

한 가지 주요 방향은 초대칭 이론이다. 이 이론은 모든 페르미온에 대응하는 보손 초대칭 파트너를, 모든 보손에 대응하는 페르미온 초대칭 파트너를 도입한다[19]. 초대칭 입자는 암흑 물질의 후보로 여겨지며, 거대 강입자 충돌기(LHC) 등의 실험에서 탐색되고 있지만, 아직 직접적인 증거는 발견되지 않았다.

또 다른 접근법은 끈 이론이다. 이 이론은 기본 입자를 점이 아닌 1차원의 진동하는 '끈'으로 기술하며, 중력을 양자역학적으로 통합하려는 시도이다. 끈 이론은 추가적인 공간 차원의 존재를 예측하지만, 현재로서는 실험적 검증이 매우 어려운 난제로 남아 있다. 표준 모형을 넘어선 물리 현상을 설명하기 위한 다른 모델들도 제안되고 있다.

이러한 이론들은 중성미자 질량의 기원, 우주 물질-반물질 비대칭성, 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체와 같은 표준 모형이 설명하지 못하는 근본적인 질문에 답을 주기 위해 발전하고 있다. 실험적 검증은 앞으로의 입자 물리학 연구의 핵심 과제이다.