표준 모형 (Standard Model)

페르미온은 스핀-통계 정리에 따라 페르미-디랙 통계를 따르는 반정수 스핀을 가진 입자군이다. 이들은 파울리 배타 원리를 따르기 때문에 동일한 양자 상태에 두 개 이상의 입자가 존재할 수 없다. 표준 모형에서 페르미온은 물질을 구성하는 기본 입자이며, 크게 쿼크와 렙톤의 두 가지 계열로 나뉜다.

쿼크는 강한 상호작용에 참여하는 색전하를 지니며, 총 여섯 가지 맛깔이 존재한다. 이들은 상향(up), 하향(down), 맵(charm), 기묘(strange), 꼭대기(top), 바닥(bottom) 쿼크로 구분된다. 쿼크는 단독으로 관측되지 않으며, 항상 두 개나 세 개가 결합하여 중간자나 바리온과 같은 강입자를 형성한다. 예를 들어, 양성자는 두 개의 상향 쿼크와 한 개의 하향 쿼크로, 중성자는 두 개의 하향 쿼크와 한 개의 상향 쿼크로 구성된다.

렙톤은 강한 상호작용에 참여하지 않으며, 전하를 가진 입자와 그에 대응하는 중성미자로 이루어진 세 쌍이 있다. 전하를 가진 렙톤은 전자, 뮤온, 타우온이며, 각각 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자와 짝을 이룬다. 전자는 원자의 구성 요소로 잘 알려져 있으며, 뮤온과 타우온은 불안정한 무거운 형제 입자에 해당한다. 각 페르미온에는 스핀 방향이 반대인 반입자, 즉 반페르미온이 존재한다.

페르미온은 세대(또는 가족)별로 다음과 같이 정리할 수 있다.

일상적인 물질은 거의 전적으로 첫 번째 세대의 페르미온(상향 쿼크, 하향 쿼크, 전자)으로 구성된다. 더 무거운 두 번째와 세대 세대의 입자들은 고에너지 충돌 실험이나 우주선에서 생성되어 매우 짧은 시간 동안만 존재한다.

보손은 스핀이 정수인 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 입자로, 기본 상호작용을 매개하는 역할을 담당한다. 표준 모형에서 확인된 기본 보손은 광자, W 보손과 Z 보손, 그리고 8종류의 글루온이다. 이들은 각각 특정한 게이지 대칭성에 따라 게이지 보손으로서 작용한다.

광자는 전하를 띤 입자 사이의 전자기력을 매개하며, 질량이 없어 그 범위가 무한하다. W와 Z 보손은 약력을 매개하는데, 이들은 상대적으로 큰 질량을 가져 약력의 작용 거리가 극히 짧게 제한된다. 글루온은 쿼크 사이의 강력을 매개하며, 색전하를 띠고 있어 글루온들 사이에도 상호작용을 한다. 이는 점근 자유성과 같은 강력의 독특한 성질을 설명한다.

힉스 보손은 다른 기본 입자들에게 질량을 부여하는 힉스 메커니즘과 연관된 스칼라 보손이다. 힉스 보손 자체는 힘을 매개하지 않지만, 게이지 대칭성의 자발적 깨짐을 통해 W와 Z 보손이 질량을 얻게 하는 데 핵심적인 역할을 한다. 힉스 보손의 존재는 2012년 LHC 실험을 통해 실험적으로 확인되었다[1].

전자기력은 전하를 가진 입자 사이에 작용하는 기본 상호작용이다. 이 힘은 광자라고 불리는 게이지 보손인 광자를 매개하여 전달된다. 전자기력은 무한한 거리에 걸쳐 작용하지만, 거리의 제곱에 반비례하여 약해지는 특성을 지닌다. 이 힘은 원자 내에서 전자와 원자핵을 결합시키고, 분자 형성의 기초가 되는 화학 결합을 설명하는 핵심 역할을 한다.

전자기 상호작용은 양자전기역학이라는 게이지 이론으로 기술된다. QED는 표준 모형 내에서 가장 정확하게 검증된 부분으로, 실험 결과와의 불일치가 극히 미세한 수준에 머문다. 전자기력의 세기는 미세구조상수로 표현되며, 이 무차원 상수의 값은 약 1/137이다.

전하를 띤 입자들은 광자를 방출하거나 흡수함으로써 상호작용한다. 다음 표는 전자기력의 주요 특성을 요약한다.

전자기력은 일상에서 접하는 대부분의 현상—마찰력, 탄성력, 빛의 발생 등—의 근본 원인이다. 또한 전기와 자기 현상을 통일적으로 설명하는 맥스웰 방정식은 고전 물리학에서 전자기력을 기술하는 기반이 된다.

약력은 기본 상호작용 중 하나로, 방사성 붕괴와 같은 현상을 일으키는 근본적인 힘이다. 약력은 전자기력이나 강력에 비해 매우 짧은 거리(약 10^-18 미터 이내)에서만 작용하며, 그 세기도 가장 약하다[4]. 이 힘은 쿼크와 렙톤의 '맛'(flavor)을 바꾸는, 즉 한 종류의 입자를 다른 종류로 변환시키는 독특한 성질을 지닌다.

약력은 약한 보손이라고 불리는 세 종류의 게이지 보손(W+ 보손, W- 보손, Z 보손)에 의해 매개된다. 이들 보손은 상당한 질량을 지니고 있으며, 이는 힉스 메커니즘을 통해 설명된다. 약한 상호작용은 '좌수성'(left-handed) 입자와만 상호작용하는 특징을 보이는데, 이는 패리티 대칭을 심각하게 위반함을 의미한다.

약력이 관여하는 대표적인 과정은 다음과 같다.

약력은 전자기력과 통합되어 전약력을 형성하며, 이 통합은 글래쇼-살람-와인버그 모형으로 설명된다. 이 통합은 높은 에너지에서는 약력과 전자기력이 하나의 상호작용으로 나타나지만, 낮은 에너지에서는 자발 대칭 깨짐을 통해 별개의 힘으로 관측됨을 의미한다.

강력은 쿼크와 글루온 사이에 작용하는 기본 상호작용이다. 색전하라는 특수한 양자수를 가진 입자들 사이에서 매개되며, 전자기력이나 약력과 달리 거리가 멀어질수록 오히려 세기가 강해지는 점유성을 보인다. 이 성질은 쿼크가 단독으로 관측되지 않고 항상 하드론이라는 복합 입자 상태로만 존재하는 쿼크 감금 현상의 원인이다.

강력은 양자 색역학이라는 게이지 이론으로 기술된다. 이 이론에 따르면, 강력의 매개자는 색전하를 지닌 8종류의 글루온이다. 글루온 자체도 색전하를 운반하기 때문에, 글루온들끼리도 직접 상호작용할 수 있다는 점이 다른 상호작용과 구별되는 특징이다.

강력의 효과는 크게 두 가지 형태로 나타난다. 하나는 쿼크 사이의 매우 짧은 거리(약 1 펨토미터 이내)에서 작용하는 원거리력이다. 이 영역에서는 점유성이 약해져 쿼크들이 거의 자유롭게 움직이는 것처럼 행동하는데, 이를 점근적 자유라고 부른다. 다른 하나는 쿼크가 멀어지려 할 때 작용하는 장거리력으로, 이 힘은 거리에 비례하여 증가하여 쿼크를 결속시킨다.

이러한 강력은 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크들을 묶어 핵자를 형성하는 1차적 원인이며, 나아가 핵자들 사이의 잔류 강력은 원자핵을 결합시키는 핵력을 설명한다.

힉스 메커니즘은 표준 모형 내에서 기본 입자들이 질량을 얻는 방식을 설명하는 이론적 틀이다. 이 메커니즘에 따르면, 우주 공간 전체를 채우고 있는 힉스 장이라는 스칼라장이 존재하며, 이 장과의 상호작용 강도에 따라 입자의 질량이 결정된다. 힉스 장은 영(zero)이 아닌 진공 기대값을 가지며, 이로 인해 게이지 대칭성이 자발적으로 깨진다. 이 깨짐 과정에서 질량이 없는 게이지 보손들 중 일부가 힉스 장을 흡수하여 질량을 얻게 된다.

특히, 약력을 매개하는 W 보손과 Z 보손의 질량은 이 메커니즘을 통해 설명된다. 반면, 광자는 힉스 장과 상호작용하지 않아 질량이 0으로 남게 된다. 페르미온인 쿼크와 렙톤의 질량 또한 힉스 장과의 유카와 결합이라는 상호작용을 통해 발생한다. 각 입자의 질량 크기는 해당 입자가 힉스 장과 결합하는 세기에 비례한다.

힉스 메커니즘은 1960년대에 여러 물리학자들에 의해 제안되었다[7]. 이 이론의 핵심 예측인 힉스 보손은 2012년 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC) 실험을 통해 발견되어, 질량의 기원에 대한 설명에 실험적 근거를 제공했다.

힉스 보손은 표준 모형에서 예측된 기본 입자이며, 힉스 메커니즘을 통해 다른 기본 입자들에게 질량을 부여하는 역할을 담당한다. 이 입자는 스핀이 0인 유일한 기본 보손이며, 힉스 장의 양자적 여기로 설명된다. 힉스 보손의 존재는 1964년 피터 힉스를 비롯한 여러 물리학자들에 의해 이론적으로 제안되었으나, 실험적 검증은 약 50년 후인 2012년에 이루어졌다.

2012년 7월 4일, 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 진행된 ATLAS와 CMS 실험 협력단은 각각 독립적으로 약 125 GeV/c²의 질량을 가진 새로운 입자를 발견했다고 발표했다. 이 입자의 특성은 표준 모형이 예측하는 힉스 보손의 특성과 일치했다. 이 발견은 입자 물리학의 역사에서 중요한 이정표가 되었으며, 2013년 피터 힉스와 프랑수아 앙글레르는 이 발견에 기여한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.

힉스 보손의 주요 특성과 발견의 의미는 다음 표와 같다.

힉스 보손의 발견은 표준 모형의 마지막 누락된 조각을 채웠지만, 동시에 새로운 질문을 제기했다. 측정된 힉스 보손의 질량은 우주가 장기간 안정적으로 존재할 수 있게 하는 범위에 놓여 있어, 이는 우리가 아는 물리 법칙의 한계나 암흑 물질과 같은 미지의 현상에 대한 단서가 될 가능성이 있다. 또한, 힉스 보손의 정밀 측정은 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리 현상을 탐색하는 중요한 창구 역할을 한다.

게이지 이론은 표준 모형의 수학적 기반을 제공하는 핵심 프레임워크이다. 이 이론은 기본 입자들 사이의 기본 상호작용이 특정한 대칭성, 즉 게이지 대칭성에 의해 결정된다는 원리를 바탕으로 한다. 게이지 대칭성은 입자장에 대한 국소적 변환(공간의 각 점에서 독립적으로 변환이 이루어짐)에 대해 물리 법칙이 변하지 않아야 한다는 요구사항에서 비롯된다. 이 요구사항을 만족시키기 위해 도입되는 것이 게이지 보손이라 불리는 힘을 매개하는 입자들이다.

표준 모형은 U(1) × SU(2) × SU(3)이라는 세 가지 게이지 대칭군의 곱으로 기술된다. 각 대칭군은 특정한 상호작용과 연결된다.

• U(1) 대칭은 전자기력을 기술하며, 이를 매개하는 게이지 보손은 광자이다.

• SU(2) 대칭은 약력을 기술하며, W 보손과 Z 보손이 이에 해당한다.

• SU(3) 대칭은 강력을 기술하며, 여덟 개의 글루온이 매개한다.

이러한 게이지 대칭성은 양자장론의 언어로 정밀하게 공식화된다. 게이지 장(보손에 해당하는 장)은 게이지 대칭성을 유지하기 위해 도입되며, 이 장과 물질 입자(페르미온) 장의 상호작용 항이 라그랑지안에 자연스럽게 포함된다. 라그랑지안은 시스템의 동역학을 완전히 결정하는 함수이다.

표준 모형의 게이지 구조는 힉스 메커니즘 없이는 완성될 수 없다. 순수한 게이지 이론만으로는 W 보손과 Z 보손 같은 게이지 보손에게 질량을 부여할 수 없기 때문이다. 힉스 메커니즘은 SU(2) × U(1) 대칭이 자발적으로 깨지는 과정을 통해 이들 보손에게 질량을 부여하며, 동시에 힉스 보손이라는 새로운 스칼라 입자의 존재를 예측한다. 따라서 표준 모형은 게이지 이론과 힉스 메커니즘이 결합된 게이지 장 이론의 정점에 서 있다고 할 수 있다.

양자장론은 표준 모형의 수학적 기초를 제공하는 이론적 틀이다. 이 이론은 양자역학과 특수 상대성 이론을 결합하여, 입자를 0차원의 점이 아닌 시공간 전체에 퍼져 있는 장의 여기로 기술한다. 각 기본 입자는 고유한 양자장에 해당하며, 이 장들 사이의 상호작용이 입자의 생성, 소멸 및 변환을 설명한다. 표준 모형에서 묘사되는 모든 기본 상호작용은 게이지 이론이라는 특정한 형태의 양자장론을 통해 기술된다.

양자장론의 핵심 계산 도구는 파인만 도형이다. 이 도형은 입자들의 상호작용 과정을 시각적으로 나타내며, 각 선과 꼭짓점은 수학적 표현에 대응된다. 예를 들어, 두 전자가 광자를 교환하며 반발하는 과정은 하나의 파인만 도형으로 표현될 수 있다. 복잡한 상호작용은 여러 개의 도형을 더함으로써 근사적으로 계산되며, 이를 통해 실험 결과와 비교 가능한 수치적 예측을 얻을 수 있다.

표준 모형의 양자장론적 기술은 특히 재규격화 가능성에 기반을 두고 있다. 계산 과정에서 발생하는 무한대 값들을 물리적 질량과 결합상수 등의 유한한 측정값으로 재해석하여 제거할 수 있는 이론만이 의미 있는 예측을 제공한다. 글래쇼-와인버그-살람 이론으로 대표되는 전기약력 이론과 양자 색역학은 모두 재규격화가 가능한 게이지 이론으로, 이 덕분에 높은 정밀도의 이론적 계산이 가능해졌다.

이러한 양자장론적 접근은 입자 물리학에서 매우 성공적이었으며, 대형 강입자 충돌기 등의 실험에서 관측된 수많은 현상을 정확하게 설명하고 예측해 왔다.

입자 가속기는 표준 모형을 구성하는 기본 입자들을 발견하고 그 성질을 정밀하게 측정하는 핵심 실험 장치이다. 높은 에너지로 가속된 입자들을 서로 충돌시켜, 짧은 순간 존재하는 불안정한 입자들을 생성하고 그 붕괴 산물을 분석함으로써 연구가 진행된다.

주요 실험 시설로는 스위스와 프랑스 국경에 위치한 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)가 가장 유명하다. LHC에서는 양성자를 광속에 가까운 속도로 가속시켜 충돌시키며, 2012년 힉스 보손의 발견을 이끌어냈다[9]. 그 외에도 미국의 페르미 국립 가속기 연구소(Fermilab)의 테바트론(Tevatron)은 톱 쿼크를 발견했으며, 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)와 일본의 고에너지 가속기 연구 기구(KEK) 등에서도 중요한 실험이 수행되었다.

입자 가속기 실험의 성과는 발견된 입자와 측정된 물리량을 정리한 아래 표와 같다.

이러한 실험들은 표준 모형이 예측하는 입자들의 존재를 하나씩 확인했을 뿐만 아니라, 그들의 질량, 수명, 상호작용 세기 등을 극도로 정밀하게 검증했다. 예를 들어, 전자의 쌍극자 모멘트 측정은 양자 전기역학(QED) 예측과 10억 분의 1 수준으로 일치함을 보여주었다. 가속기 실험은 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리 현상을 탐색하는 장이기도 하여, 초대칭 입자나 암흑 물질 후보 입자 등의 간접적 증거를 찾기 위한 노력이 지속되고 있다.

표준 모형이 예측한 대부분의 기본 입자들은 실험을 통해 관측되었다. 특히, CERN의 대형 강입자 충돌기와 같은 고에너지 입자 가속기 실험을 통해 그 존재가 확인되었다. 최종적으로 관측되지 않은 입자는 힉스 보손뿐이었으나, 2012년 LHC 실험에서 힉스 보손의 발견이 발표되면서 표준 모형의 입자 목록은 완성되었다[10].

페르미온 부문에서는 모든 세대의 쿼크와 렙톤이 관측되었다. 가장 무거운 톱 쿼크는 1995년 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론 가속기에서 발견되었고, 타우 중성미자는 2000년 퍼널 실험에서 처음 관측되었다. 보손 부문에서는 광자를 비롯한 게이지 보손들(W 보손, Z 보손, 글루온)이 실험적으로 확인되었다. 글루온은 1979년 DESY의 PETRA 가속기에서 3제트 사건을 통해 간접적으로 증명되었고, W와 Z 보손은 1983년 CERN의 양성자-반양성자 충돌기 실험에서 카를로 루비아와 시몬 판데르메르 팀에 의해 발견되었다.

아래 표는 표준 모형의 기본 입자와 그 관측 역사를 요약한 것이다.

이러한 관측 결과들은 표준 모형이 자연계의 기본적인 입자와 그 상호작용을 놀라운 정확도로 기술하고 있음을 보여준다. 그러나 중성미자 진동 현상으로 인해 중성미자가 질량을 가진다는 것이 확인되면서, 이는 표준 모형의 원래 틀을 넘어서는 확장이 필요함을 시사한다.

표준 모형은 전자기력, 약력, 강력이라는 세 가지 기본 상호작용을 성공적으로 기술하지만, 네 번째 기본 상호작용인 중력은 이론의 틀 안에 포함되지 않았다. 이는 표준 모형의 가장 큰 한계 중 하나로 지적된다.

중력을 기술하는 일반 상대성 이론은 시공간의 기하학적 곡률로 중력을 설명하는 고전 이론이다. 반면 표준 모형은 양자장론을 바탕으로 한 양자 이론이다. 이 두 이론을 하나의 일관된 이론 체계로 통합하는 것은 현대 물리학의 주요 난제이다. 특히 블랙홀의 특이점이나 빅뱅 초기의 극한 조건처럼, 질량과 에너지가 매우 집중된 영역에서는 두 이론이 모두 적용되어야 하나 현재로서는 통합된 설명이 존재하지 않는다.

중력을 양자화하려는 시도인 양자 중력 이론은 여러 가지가 제안되었으나, 실험적으로 검증 가능한 예측을 내놓지 못하고 있다. 표준 모형의 게이지 이론 구조에 중력을 포함시키는 것은 수학적 어려움에 부딪힌다. 중력을 매개하는 가상 입자인 그래비톤은 스핀 2를 가진 보손으로 추정되지만, 표준 모형의 다른 보손들과는 달리 아직 관측된 바 없으며, 이론적으로도 표준 모형의 틀 안에 자연스럽게 포함되지 않는다. 따라서 중력은 여전히 표준 모형 밖에 남아 있는 별개의 상호작용이다.

표준 모형은 중입자와 경입자로 구성된 가시 우주의 일반 물질을 매우 정확하게 기술하지만, 우주 전체의 물질-에너지 구성 요소 중 약 95%를 차지하는 것으로 추정되는 암흑 물질과 암흑 에너지를 설명하지 못한다. 이는 표준 모형의 주요 한계 중 하나로 꼽힌다.

관측에 따르면, 은하의 회전 속도 곡선[12]와 은하단 내 은하의 운동, 그리고 중력 렌즈 효과는 가시 물질만으로는 설명할 수 없는 추가적인 중력원이 존재함을 보여준다. 이 보이지 않는 중력원을 암흑 물질이라고 부른다. 표준 모형에 포함된 어떤 입자도 암흑 물질의 관측적 성질(약하게만 상호작용하며, 빛을 내지 않음)을 만족시키지 않는다. 암흑 물질 후보로 제안된 중성미자나 축입자 등은 표준 모형의 확장 이론에서 등장한다.

또한, 우주의 가속 팽창 현상은 우주 공간 자체의 에너지인 암흑 에너지의 존재를 시사한다. 암흑 에너지는 중력과 반대되는 척력을 발생시켜 우주의 팽창을 가속시키는 것으로 여겨진다. 표준 모형은 진공 에너지를 계산할 수 있지만, 그 값이 관측된 암흑 에너지 밀도보다 무려 10^120배나 크다는 심각한 문제에 직면해 있다. 이는 물리학에서 가장 큰 정밀도 불일치로 알려져 있다. 따라서 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체를 규명하는 것은 표준 모형을 넘어선 새로운 물리학을 요구하는 핵심 과제이다.

표준 모형의 초기 버전은 중성미자가 질량이 전혀 없는 입자라고 가정했다. 이는 약한 상호작용에서의 좌수성 보존 법칙에 기반한 것이었다. 그러나 1990년대 후반부터 진행된 대기 중성미자 실험과 카미오칸데 실험 등의 관측 결과, 중성미자가 중성미자 진동 현상을 보이며 서로 다른 종류(맛깔) 사이를 전환한다는 확실한 증거가 발견되었다. 이 현상은 중성미자가 질량을 가져야만 설명될 수 있다[13].

따라서 중성미자는 질량이 매우 작지만 0이 아니며, 이는 표준 모형의 원래 틀을 수정해야 함을 의미한다. 이 수정은 중성미자에 질량 항을 추가하는 방식으로 이루어지지만, 그 질량의 구체적인 기원과 크기는 여전히 명확히 규명되지 않은 중요한 미해결 문제로 남아 있다. 질량 생성 메커니즘이 힉스 메커니즘과 같은 방식인지, 아니면 다른 새로운 물리학을 필요로 하는지가 불분명하다.

중성미자 질량 문제는 표준 모형의 불완전성을 보여주는 동시에, 이를 넘어서는 새로운 물리학에 대한 실마리를 제공한다. 현재 진행 중인 다양한 실험들은 중성미자의 절대 질량 크기와 그들이 마요라나 입자인지(즉, 자신이 자신의 반입자인지) 여부를 규명하려고 노력하고 있다. 이 문제의 해결은 입자 물리학의 표준 모형을 확장하고, 우주 초기의 중입자 생성과 같은 현상에 대한 이해를 깊게 할 것으로 기대된다.

대통일 이론은 표준 모형에서 기술하는 세 가지 기본 상호작용—전자기력, 약력, 강력—을 하나의 통일된 이론 체계로 설명하려는 시도이다. 이론의 핵심 목표는 높은 에너지 척도에서 이 세 힘이 하나의 게이지 대칭으로 통합된다는 것을 보여주는 것이다. 이러한 통합은 우주 초기, 즉 빅뱅 직후의 극고온 상태에서는 힘이 구분되지 않았을 것이라는 예측을 기반으로 한다.

대통일 이론의 가장 간단한 모델 중 하나는 SU(5) 대통일 이론이다. 이 모델은 쿼크와 렙톤을 동일한 다중항에 배치하여, 양성자 붕괴와 같은 새로운 현상을 예측한다. 예를 들어, SU(5) 모델은 양성자의 수명을 약 10^30년 정도로 예측했으나, 이후의 정밀 실험[14]은 양성자 수명이 이보다 훨씬 길다는 것을 보여주어 가장 단순한 SU(5) 모델은 배제되었다.

대통일 이론이 해결하려는 주요 문제 중 하나는 전하 양자화 현상이다. 전자의 전하와 양성자의 전하 크기가 정확히 같다는 사실은 표준 모형 내에서는 설명되지 않지만, 대통일 이론에서는 자연스럽게 유도된다. 또한, 이론은 중성미자에 매우 작은 질량이 존재해야 함을 시사하며, 이는 이후 중성미자 진동 실험으로 관측된 바 있다.

현대의 대통일 이론 연구는 초대칭이나 추가 차원과 같은 개념을 포함하여 더 정교한 모델을 구축하는 방향으로 나아간다. 이러한 모델들은 실험과의 불일치를 해결하고, 암흑 물질 후보 입자를 제공하며, 우주 급팽창의 메커니즘과 연결시키려는 시도를 포함한다. 그러나 아직까지 대통일 에너지 규모는 현재의 입자 가속기로는 도달할 수 없어, 간접적인 증거(예: 양성자 붕괴 관측, 중성미자 특성, 우주론적 관측)를 통해 검증을 시도하고 있다.

초대칭 이론은 표준 모형을 넘어서는 가장 유력한 이론적 확장 중 하나이다. 이 이론은 페르미온과 보손이라는 두 기본 입자 종류 사이에 대칭성을 도입하여, 모든 기본 입자가 아직 발견되지 않은 '초대칭 짝' 입자를 가져야 한다고 제안한다[15].

이론의 주요 동기 중 하나는 힉스 보손의 질량을 자연스럽게 설명하는 것이다. 표준 모형 내에서 힉스 입자의 질량은 양자 보정으로 인해 극도로 민감하게 조정되어야 하는데, 초대칭은 이러한 미세 조정 문제를 상쇄 메커니즘을 통해 해결할 수 있다. 또한, 초대칭은 대통일 이론에서 예측하는 힘의 통합 에너지 척도를 높여주며, 가장 가벼운 초대칭 입자는 암흑 물질 후보로 여겨진다.

초대칭 입자들은 아직 실험적으로 발견되지 않았다. 대형 강입자 충돌기(LHC)를 포함한 주요 입자 가속기 실험들은 수년간 초대칭 짝 입자들을 탐색해 왔으나, 지금까지 명확한 증거를 찾지 못했다. 이는 초대칭이 깨진 에너지 척도가 예상보다 높을 수 있음을 시사한다.

초대칭 이론은 여러 변종이 존재하며, 최소 초대칭 표준 모형(MSSM)이 가장 간단한 모델로 널리 연구된다. 초대칭은 또한 끈 이론과의 호환성을 위해 필수적인 요소로 여겨진다.

끈 이론은 표준 모형을 넘어서는 가장 유력한 후보 이론 중 하나로, 기본 입자가 점이 아닌 1차원의 진동하는 끈으로 구성되어 있다는 개념에 기초한다. 이 접근법은 양자역학과 일반 상대성 이론을 통합하는 양자 중력 이론을 제공하려는 시도에서 비롯되었다. 끈 이론에 따르면 전자나 쿼크와 같은 다양한 입자들은 실처럼 생긴 끈의 서로 다른 진동 모드에 불과하다. 이 진동의 에너지와 형태가 입자의 질량과 전하 등 관측되는 성질을 결정한다.

끈 이론의 가장 주목할 만한 특징 중 하나는 자연스럽게 중력자를 포함한다는 점이다. 끈의 특정 진동 모드가 중력을 매개하는 입자, 즉 중력자로 해석된다. 이를 통해 표준 모형의 세 가지 힘(전자기력, 약력, 강력)과 중력을 단일한 수학적 체계 안에서 기술할 수 있는 가능성이 열린다. 또한, 이론은 초기에 26차원 또는 10차원과 같은 고차원 시공간을 요구하며, 우리가 인지하는 4차원(3차원 공간 + 1차원 시간)은 추가 차원이 매우 작게 감겨져(축소되어) 있다고 설명한다.

그러나 끈 이론은 아직 실험적으로 검증되지 않았으며, 여러 가지 심각한 도전에 직면해 있다. 첫째, 현재 기술로는 끈의 특징적인 길이 규모(플랑크 길이 근처)를 탐구할 수 있는 에너지를 입자 가속기에서 달성하기 거의 불가능하다. 둘째, 하나의 독특한 이론이 아니라 서로 연결된 다양한 버전(5개의 초끈 이론)이 존재하며, 이들은 더 근본적인 M-이론 아래에서 통합될 가능성이 제기된다. 셋째, 이론이 예측하는 가능한 진공 상태의 수가 극도로 많아(10^500개 이상) 특정한 우리 우주의 물리 상수를 유일하게 예측하는 데 어려움을 겪고 있다. 이는 다중우주 가설과 연결되기도 한다.

끈 이론은 여전히 활발히 연구되는 분야로, AdS/CFT 대응성과 같은 획기적인 수학적 발견을 통해 입자 물리학과 응집물질물리학 사이의 새로운 연결고리를 제공하기도 했다. 이는 표준 모형의 한계를 해결할 뿐만 아니라, 물리학의 근본적인 이해를 혁신할 잠재력을 지니고 있다.