색전하

색전하(色電荷, color charge)는 물리량의 일종이다. 이름에서 알 수 있듯이 전자기학에서의 전하에 대응되는 강력에서의 물리량이다. 광자가 전하 사이의 힘을 매개하듯 글루온은 색전하 사이의 힘을 매개한다. 강한 상호작용을 하는 쿼크는 색전하를 가지고 있으나, 강한 상호작용을 하지 않는 렙톤은 색전하를 가지지 않는다. 색전하는 세 가지 종류가 있으며 빛의 삼원색에서 개념을 빌려와 빨강, 초록, 파랑의 이름을 붙여놓고 있다. 하지만 색전하는 색과 비슷한 유추를 할 수 있어 지은 이름일 뿐이지 색전하는 우리가 보는 색깔에는 영향을 주지 않는다. 쉽게 말해서 세 가지 종류의 전하를 철수, 영희, 바둑이 또는 육, 해, 공 이라는 이름을 붙여놨어도 강력의 게이지 대칭성을 잘 설명한다면 아무런 문제가 없는 것이다. 색전하라는 개념의 고안자는 물리학자 오스카 W. 그린버그이며 그는 1964년 하드론의 내부구조를 설명하기 위해 색전하라는 개념을 고안하였다.

파이온의 구조

중성자의 구조

양전하의 반대인 음전하가 있듯이 빨강, 초록, 파랑에 대해서 각각 반빨강(antired), 반초록(antigreen), 반파랑(antiblue)의 색전하가 존재한다. 쿼크가 RGB 색을 가지고 있으면 반쿼크가 CMY(시안, 마젠타, 노랑) 색을 가지고 있는 것이다. 이들을 조합하여 무채색이 되는 조합만이 하드론을 형성한다. 따라서 위의 그림에서 파랑 색전하의 쿼크와 반파랑 색전하의 쿼크가 파이온을 이루며 RGB 색전하의 쿼크가 하나의 중성자를 이루는 것이다.

수학적으로 말하자면 색전하에 대한 강한 상호작용은 특수 유니터리군(special unitary group) su(3)의 대칭성을 가진다고 할 수 있다. 이는 일반적인 전하에 대한 전자기 상호작용이 유니터리군 u(1)의 게이지 대칭성을 가지는 것과 비교할 수 있다. 전자기 상호작용은 게이지 대칭성을 가지고 있어서 u(1)에 해당하는 임의의 위상변화를 주어도 원래의 상태를 유지하며 이것이 전하량 보존법칙의 원인이 된다. 마찬가지로 강한 상호작용은 3x3의 특수 유니터리군에 대해 게이지 대칭성을 가지고 있어서 임의의 상태에 su(3) 변환을 가해도 물리적인 의미는 변하지 않는다. 이는 세 가지 종류의 색전하가 보존되는 원인이 된다.