| 기본 입자 | ||||||||
| 페르미온 | 보손 | |||||||
| 쿼크 | 렙톤 | 게이지 보손 | 스칼라 보손 | 메손 | ||||
| 위 | 아래 | 전자 | 전자 중성미자 | 글루온 | 중력자 | 힉스 보손 | 케이온 | |
| 맵시 | 기묘 | 뮤온 | 뮤온 중성미자 | 광자 | ||||
| 꼭대기 | 바닥 | 타우온 | 타우 중성미자 | W/Z보손 | ||||
gauge boson
1 개요
게이지 이론에서 기본 상호작용을 매개하는, 스핀이 정수고 보스-아인슈타인 통계를 따르는 입자다. 파울리의 배타원리를 따르지 않으므로, 여러 입자가 동일한 상태에 겹쳐있을 수 있다. 게이지 이론의 도입 배경에 대해서는 힉스 입자 참조.
게이지 보손에는 광자, [math] W/Z [/math] 보손, 글루온이 있으며, 각각 전자기 상호작용, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 매개한다. 이 중에서 광자와 [math] W/Z [/math] 보손은 독립적으로 존재할 수 있지만, 글루온은 강입자나 글루볼 안에서만 존재한다. 상호작용은 각 입자가 게이지 보손을 방출-흡수하는 과정으로, 겉으로 보면 서로 다른 입자가 직접적으로 힘을 주고받는 것처럼 보이게 된다. 중력을 매개하는 게이지 보손인 중력자의 존재가 예측되기는 하지만, 아직 실제로 발견되지는 않았다.
2 종류
2.1 광자
光子, photon
빛(전자기)은 입자성과 파동성을 가진다. 이 중 빛의 입자성을 가리키는 빛의 또다른 이름이 바로 광자다. 빛의 파동성을 가리키는 이름은 전자기파다.
쉽게 설명하자면, 빛이란건 전자기력이 작용하는 역장(=전자기장)을 쉽게 부르는 이름이다. 근데 이 전자기장은 과학자들이 관측하기에 따라 입자처럼 보일때도 있고 파동처럼 보일때도 있다. 광자란 이 빛의 입자스러움을 가리키는 명칭.
2.1.1 설명
일단 빛이기 때문에 당연히 광속으로 운동한다. 광자의 에너지는 [math] E = h \nu [/math][1]이다. 또한, 광자는 운동량 [math] p = h \nu /c [/math]를 갖는다.
전자기 상호작용을 매개하는 게이지 보손. 질량과 전하가 없고, 스핀이 1이다. 광자에 질량이 없다는 말에 "에너지는 곧 질량이므로 에너지를 가진 광자도 질량을 갖게 된다."고 답하는 경우가 많은데, 광자에 질량이 없다고 말할 때의 질량은 정지 질량이므로, 보통 상황에서는 굳이 그렇게 세세하게 따질 필요가 없다.
광자와 같이 질량이 없는 입자를 룩손이라고 하며, 룩손은 무조건 광속으로 움직인다. 룩손 이외의 입자는 광속보다 느리거나 빠를지언정, 그리고 광속에 한없이 가까워질 수는 있을지언정, 결코 광속으로 움직이지는 못한다. 질량이 없으므로 중력의 직접적인 영향을 받지 않기에, 광자의 이동방향의 휘어짐, 즉 빛의 휘어짐은 중력에 의한 시공간 왜곡의 강력한 증거가 된다.
아이작 뉴턴은 빛이 입자로 이루어져있다고 주장하였으나, 그러한 설명으로는 빛의 파동적인 성질(대표적으로 간섭현상)을 설명하지 못하므로, 초기에는 뉴턴의 권위에 의해 빛의 입자설과 파동설이 대립하다가 19세기 초 토마스 영의 이중슬릿실험에 의해 빛이 파동임을 보여 주고, 제임스 맥스웰이 빛이 전자기파임을 밝혀내고 전자기파의 속도가 빛의 속도와 근사함을 증명하여 파동설이 정설로 인정되기까지 했다.
그 후 1859년말에서 1860년초 키르히호프(G. Kirchhoff, 1824-1887)에 의해 '흑체복사'에 대한 이론이 등장하였다. 한 물체가 뜨거워지면 열을 내게 되는데, 이를 복사(radiation)라고 부르며, 키르히호프는 '복사는 물질이나 빈구멍(Cavity)의 모양, 크기와는 상관이 없고 오직 온도와 빛의 파장에만 관계된다는 것이다'는 것을 밝혀냈다. 즉, 같은 온도로 달구어진 물체는 어떤 물질이든 방출하는 빛의 분포가 똑같다는 것이다. 특히 표면에 부딪히는 모든 복사를 흡수하는 경우 이런 물체를 흑체(black body)라고 부르는데, 이런 특징은 파동성과 아울러 입자성을 지니고 있을 가능성을 보여준다. 19세기말 물리학자들은 고체에서 방출되는 복사를 조사하여 여러 가지 파장 또는 진동수를 가진 빛으로 구성되어 있음을 알게 되었고, 표면의 온도와 빛의 파장이 어떠한 관계에 있는가를 연구하면서 아인슈타인에 의해 양자화에 대한 논의가 시작되었다.
20세기 초에 고전적인 흑체는 무한히 빛을 방출해야 한다는 문제가 발견되었고, 이를 해결하기 위해 막스 플랑크는 파동의 에너지가 양자(量子)화된 것이 빛이라는 가설을 도입하였다.[2]
알베르트 아인슈타인은 1905년에 빛이 입자로 구성되었을 경우 광전효과를 설명할 수 있다는 사실을 보였고, 이후 양자역학의 발전과 양자전기역학의 도입으로 빛의 양자화를 이론적으로 설명할 수 있게 되었다.
2.2 [math] W/Z [/math]보손
W와 Z 보손 항목 참조.
약한 상호작용을 매개하는 게이지 보손으로, [math] W [/math]보손과 [math] Z [/math]보손으로 나뉜다. 각각 스핀이 1이며, [math] W^+ [/math], [math] W^- [/math] 각각은 ±1의 전하를, [math] Z [/math]보손은 0의 전하를 갖는다.
게이지 보손은 기본적으로 질량이 0인데, [math] W/Z [/math]보손은 골드스톤 보손이라는 입자를 삼켜 질량을 갖게된다. (이러한 설명을 힉스 메커니즘이라고 한다.) [math] W/Z [/math]보손의 대칭성이 깨졌기 때문에 일어나는 현상으로, 대칭성이 깨지지 않은 광자나 글루온은 질량을 갖지 않는다.
2.3 글루온
강한 상호작용을 매개하는 게이지 보손. 이름처럼 강입자를 구성하는 쿼크를 풀로 붙인듯이 묶어놓는 역할을 한다. 질량, 전하, 스핀은 광자와 동일하다.
입자들이 [math] + [/math]와[math] - [/math], 그리고 중성이라는 전하를 갖는 것과 비슷하게, 글루온은 색전하를 갖는다. 색전하의 색[3]은 [math] r [/math], [math] g [/math], [math] b [/math]의 세가지로, 각각 반색을 갖는다. 글루온의 색전하, 그러니까 색은 각 색과 반색의 조합으로 이루어지므로 간단히 생각하면,
| r | g | b | |
| -r | r(-r) | g(-r) | b(-r) |
| -g | r(-g) | g(-g) | b(-g) |
| -b | r(-b) | g(-b) | b(-b) |
위와 같이 아홉 가지 색을 갖게 될 것이다.그래서 무슨 색인데 하지만 실제로는 여덟가지의 색을 갖는다. 강한 상호작용을 하는 두 입자 사이에 [math] r [/math]색과 [math] g [/math]색이 교환되었을 경우, 이를 매개한 글루온이 [math] r \bar{g} [/math]거나 [math] g \bar{r} [/math]일 확률은 반반으로 같기 때문에, 글루온의 색은 [math] \left( r \bar{g} + g \bar{r} \right) / \sqrt{2} [/math]와 같이 표시되기 때문이다. 이러한 결합을 고려하면 가능한 글루온의 색은 다음과 같은 8종류이다. (이것을 유도하기 위해서는 군론에서의 [math] SU(3) [/math] 대칭성의 이해가 필요하다.)
| (r(-g) + g(-r))/√2 | (r(-b) + b(-r))/√2 | (b(-g) + g(-b))/√2 |
| -i(r(-g) - g(-r))/√2 | -i(r(-b) - b(-r))/√2 | -i(b(-g) - g(-b))/√2 |
| (r(-r) - b(-b)/√2 | (r(-r) + b(-b) - 2g(-g))/√6 |
맨 아랫줄에 색과 반색이 같은 세가지 글루온이 결합하는 방식을 두 종류 제시하였는데, 이론적인 전개에 따라서는 [math] U(1) [/math] 대칭성의 결과물인 [math] \left( r \bar{r} + g \bar{g} + b \bar{b} \right) / \sqrt{3} [/math]으로 표현되는 글루온이 하나 더 존재할 수도 있다. 이러한 글루온은 완전한 무색이므로 원자핵 바깥을 자유로이 돌아다닐 수 있어야 하는데[4], 그러한 입자가 관측되지 않으므로관측이 안되면 만들면 되잖아? 현재의 표준모형은 무색 글루온을 배제한 8개의 글루온만을 포함한다.
여담이지만, 물리학자들은 예전부터 입자의 이름을 지을 때는 그리스 문자에서 모티브를 따왔는데(당장 뮤온이나 타우온 등을 생각해보자), 슬슬 소재가 떨어지는 모양인지(...) 글루온의 이름은 영어에서 따 왔다. 생각하는 대로 입자와 입자 사이를 이어 준다고 glue[5]로 이름을 지었다...
2.4 중력자
존재여부가 확인되지 않은, 이론상으로만 추측되는 입자. 2016년 LIGO-VIRGO 가 검출한 중력파와는 전혀 다른 현상이다. 이름대로 중력을 매개한다. 초끈이론에서는 자연스럽게 스핀이 2인 입자가 존재하게 되는데, 이를 중력자라 여기고 있다. 이 입자의 존재를 예견한다는 점에서(이것 때문만은 아니지만), 초끈이론은 네가지 기본 상호작용을 아우르는 모든 것의 이론의 후보로 지목된다. 중력의 작용거리가 무한하기 때문에, 중력자는 질량이 없고 광속으로 움직여야 한다. 또한 전하나 색깔을 띠지도 않아야한다. 색깔을 띄게 될 경우, 이론적으로 단독 중력자는 존재할 수 없게 된다. 같은 중력자끼리 엮여서 무색이 되거나, 글루온, 쿼크와 상호작용해야 하는데, 이렇게 될 경우, 약력이나 강력에 관여하게 된다.(또한, 만약 같은 중력자끼리 뭉칠 경우라면, 실질적으로 무색 중력자나 다름없어진다) 하지만, 이론적으로 한 힘의 매개자가 다른 힘에 영향을 끼쳐서는 안되기 때문에 색을 띄어서는 안된다. 전하를 띌 경우에는 전자기력과 상호작용하기 때문에 마찬가지.
종종 게시판에서 중력자는 초끈이론만의 개념이고 기존의 이론에서는 가능하지 않은 존재라는 주장을 하는 경우가 있는데, 이는 잘못된 주장이라고 할 수 있겠다.
헷갈릴까봐 부연설명하자면, 중력자는 물체를 끌어당기는 입자가 아니다. 중력이 본질적으로 물체를 끌어당기는 힘이 아니라는 사실은 일반상대성 이론을 통해 검증되어 있다. 중력자가 존재한다면 중력은 시공간을 휘게 하는 힘이고, 중력자는 시공간을 휘게 하는 힘을 매개하는 것이지 시공간이 휘어 있기 때문에 우리가 감각으로 느끼게 되는 '끌어당기는 힘'을 매개하는 것이 아니다. 무슨 차이인가 싶겠지만 중요한 차이이다.
쉽게말해서 바람으로 비유하자면, 우리가 느끼는 중력은 바람이고, '시공간은 바람의 원천인 대기이며, 중력자는 바람을 만드는 대기의 온도차이를 만드는 태양에너지로 비유할수 있다. 물론, 정확한 비유는 아니지만, 그나마 쉽게 이해가 가능한 방법이다.- ↑ 처음 배울 때 하뉴라는 발음을 듣고 당황하기 쉬운데, 플랑크 상수 [math] h [/math]는 막스플랑크가 독일인이라 독일식으로 '하'라 읽고, 진동수 [math] \nu [/math]는 로마자가 아니라 그리스 문자라 '뉴'라고 읽는다.
절대 이 하뉴가 아니다!근데 사실 물리에선 [math] h\nu[/math]보다 [math] \hbar\omega[/math]를 훨씬 많이 쓰기 때문에 저 발음은 곧 잊혀지는 것이 보통이다. - ↑ 보손이라는 개념 자체도 여기서 나왔다. 플랑크는 흑체 복사를 계산하면서 조화진동자를 이용했는데, 쇼텐드로 나트 보슈는 단순히 광자라는 입자가 흑체 내의 에너지 준위를 채워 간다는 개념에서 출발해 통계역학적으로 풀어 봤던 것. 두 결과는 서로 일치했으며 이걸 보고 느끼는 바가 있던 아인슈타인이 광자가 아닌 모든 입자에 이 개념을 적용해 보았고, 그런 입자를 이후에 보손이라 이름붙이게 된다. 보스-아인슈타인이라고 꼭 아인슈타인이 따라 붙는 건 이 때문.
- ↑ 주의할 점은, 이 문서에서 쓰이는 '색'이라는 용어는 입자의 실제 색깔이 아닌 입자의 특성을 말하는 것이다. 일단 광자의 파장보다 작은 물체가 색을 띌 수는 없으니...
- ↑ 덧붙여서 이런 상태의 가상의 입자를 글루볼이라고 한다. 존재한다는 가정하에서는 두개의 파이온으로 붕괴할 확률이 높다고 알려져 있지만 발견된 적 없다.
- ↑ 덕분에 한글 번역명도 풀 입자이다