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1. 개요
다섯번째 상호작용은 기본 상호작용에 포함될것으로 여겨지는 새로운 상호작용과 상호작용으로 비롯된 현상, 모형을 총칭한다.2. 소개
기본 상호작용을 이루는 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용, 중력과 더불어 우주를 구성할 것으로 예견되는 상호작용으로써 이미 밝혀진 4개의 기본 상호작용 이후에 추가의 기본 상호작용으로 편입되어지기 때문에 다섯번째 상호작용, 제 5의 힘, 제 5의 본질이라는 명칭이 붙었다.다섯번째 상호작용을 예견하는 모형과 형식들의 공통된 시사점은 우주를 구성하는 기초적인 물질 단위의 변화이다. 기존의 관측에 따르면 이 단위는 변동이 없는 기초적인 상수로 정의되어왔으나, 5번째 상호작용이라고 불리는 물리들의 공통된 시사점에 따르면 기초 상수는 절대적으로 불변한 상수가 아닌, 기본 상호작용들처럼 어떤 물리에 의해 매개되어 시간에 따라 변화하는 물리량으로 새롭게 정의된다. 즉, 우주 전체를 조정하는 기본 상호작용인 것이다.
3. 이론
다섯번째 상호작용의 여러 이론중 기본 단위로부터 비롯된 이론적인 조사는 플랑크 질량의 값에 대한 의문으로 시작되었다. 플랑크 질량은 기본 단위로써, 블랙홀과 같은 거시적인 천체물리를 설명하는데 무리가 없었으나 입자물리학이 발전하고 핵자간 상호작용의 눈금 영역이 플랑크 질량보다 터무니없이 작은 눈금 영역을 가진다는 것이 밝혀졌다. 즉, 기본 단위라는 플랑크 질량이 상호작용을 설명하는데 무리가 있다는 것으로 입자물리학계에서 “과연 플랑크 질량이 기본 상수로 취급해야 하는가“라는 논란이 발생했다. 이 논란으로부터 플랑크 질량을 메인 토픽으로두는 여러 장 모형들이 제안되었다.3.1. 브랜스-디키 이론
브랜스-디키 모형[1]은 플랑크 질량을 입자장론적으로 보완하기 위해 나온 기초적인 우주장 모형이다. 플랑크 질량에 대해 기본 상수보다는 우주장적인 형태에 집중함으로써 플랑크 질량의 불변한 형태보다는 중력자를 제외한 나머지의 기본 입자들과 상호작용 하지 않는 스칼라장으로부터 비롯되었으며 이 스칼라장이 시간에 따라 조정될지도 모르는 모형을 가정했다. 브랜스-디키 모형은 전체적으로 리우빌 작용을 따르지만, 아인슈타인-힐베르트 항이 스칼라 장으로 정의된다는 특징이 있다.3.2. 퀸테센스
1980년대부터 브랜스-디키 모형을 보완하는 새로운 장의 형식과 모형들이 제기되었다. 크게 입자장론적으로 접근한 모형과 우주론적으로 심화되게 접근한 모형으로 나뉘는데 브랜스-디키의 스칼라 장 [math(\chi)]이 기존의 입자장들과 상호작용 하지 않으나, 스칼라 장의 포텐셜 항은 팽창하는 우주장과 입자장의 특징을 둘다 가진다는 것이 이 이론들의 공통점이다. 이 두가지 모형은 1988년에 각각 제기된 크리스토프 베테리히의 팽창 대칭 형식과 제임스 피블스, 바랏 라트라의 팽창 스칼라장 모형을 시초로 하며, 1998년 폴 스타인하트에 의해 퀸테센스(quint-essence)로 불리게 되었다.3.2.1. 팽창 대칭
베테리히가 제시한 팽창 대칭(dilatation symmetry)[2]은 브랜스-디키 작용에 입자장론적으로 접근하는 형식이다. 브랜스-디키 작용으로부터 스칼라 장의 입자장론적인 역할에 초점을 두었고, 이를 설명하기 위해 입자장과 스칼라장으로 이루어진 포텐셜 항을 도입했다.[math(\displaystyle \begin{aligned} S_{W} = - \int \,\rm{d^4 x} \,g^{\frac{1}{2}}\left( \chi^2R - 4\omega \partial_{\mu} \chi \partial^{\mu} \chi - \partial_{\mu} \phi \partial^{\mu} \phi + V(\phi, \chi) \right) \end{aligned})] |
[math(\displaystyle \begin{aligned} V(\phi, \chi) &= \phi^4 v(\phi / M ) \\ \phi &= \overline{\phi}\left(\dfrac{M}{\chi}\right) \\ \end{aligned})] |
3.2.2. 팽창 스칼라 장
제임스 피블스, 바랏 라트라가 제시한 팽창 스칼라 장 모형, 혹은 라트라-피블스 모형[3]은 브랜스-디키 작용에 우주론적으로 근본적인 접근을 한다. 스칼라 장으로부터 유래되는 암흑물질의 모형과 팽창 우주 모형에 초점을 두었고, 브랜스-디키 모형으로부터 스칼라 장이 암흑물질의 물리적 특성 유무를 밝히는 실험의 제약 조건을 다루고자 했다. 즉, 스칼라 장과 포텐셜 형식 위주의 설명보다는 스칼라장에 의해 변화하는 크기와 밀도, 질량과 같은 암흑물질의 물리량들에 대한 의문점을 설명했다.피블스와 라트라의 이론은 [math(\frac{m_{p}}{16\pi})] 표기와 스칼라 장 [math(\Phi)] 표기를 공존시켰다. 이는 아인슈타인-힐베르트 작용의 형식을 빌려 브랜스-디키 이론을 설명했기 때문이다.
[math(\displaystyle \begin{aligned} S = \dfrac{(m_{p})^2}{16\pi} \int \,\rm{dt} \,\rm{d^3 x} \sqrt{-g} \left(-R+\dfrac{g^{\mu \nu}}{2}\partial_{\mu} \Phi \partial_{\nu} \Phi - \dfrac{V(\Phi)}{2} \right) \end{aligned})] |
[math(\displaystyle \begin{aligned} V(\Phi_{0}) &= \dfrac{16\pi}{m_{p}^{2}}(\rho_{\Phi} - p_{\Phi})\\ \rho_{\Phi} &= \rho_{\Phi_{0}} \left(\dfrac{a_{0}}{a}\right)^q \\ p_{\Phi} &= \left(\dfrac{q-3}{3}\right)\rho_{\Phi} \\ \end{aligned})] |
라트라-피블스 모형이 나온 1988년은 우주 상수 문제, 암흑물질과 같은 같은 우주론에서 채택한 이론들이 명확하게 설명되지 않았던 시기였다. 라트라-피블스 모형은 이러한 우주론적 실마리들에 대해 이론적 설명을 자세하게 해주었다. 우주를 구성하는 기본 단위의 변화에 관한 연구가 우주론에서만 하는 연구로 연상될 정도로 우주론 학계에서 각광받았다. 이 연구에 퀸테센스라는 이름을 붙인 스타인하트의 보완 연구도 라트라-피블스의 연구를 기반으로 한다.
3.2.3. QCDM 모형
1998년에 폴 스타인하트가 제시한 QCDM 모형[4]은 기존의 ΛCDM 모형에서 우주 상수 Λ를 스칼라 장으로 교체했으며, 스칼라 장에 퀀테센스라는 용어를 도입했다. 라트라-피블스 모형을 기반으로 만들어진 모형이며, 상술한 라트라-피블스 상태 방정식으로부터 평균 에너지 밀도와 평균 운동량으로 이루어진 새로운 상태 방정식을 제안했다.[math(\displaystyle \begin{aligned} \dfrac{p_{Q}}{\rho_{Q}} = \dfrac{\dfrac{1}{2}\dot{Q}^2 - V(Q)}{\dfrac{1}{2}\dot{Q}^2 + V(Q)} \\ \end{aligned})] |
4. 실험
2015년에 제5의 힘이 존재한다는 매우 유력한 실험 결과가 발표되었는데, 헝가리의 연구진들이 베릴륨 동위원소의 붕괴를 관측하는 실험을 하던 중에 해당 동위원소의 붕괴 과정에서 방출되는 전자와 양전자의 각도가 140도를 이루는 것을 발견하여 화제를 모았다. 기존 예측대로면 붕괴 시에 180도가 나와야 되는데, 이렇게 나오는 것에 대해 물리학계에서 격렬한 논쟁이 일어났다. 그러다가, 헬륨의 동위원소의 붕괴 과정에서 방출되는 전자와 양전자의 각도가 115도인 것이 관측되면서, 이런 현상을 유발하는 입자를 임시로 X17라고 이름붙였다. 이 입자가 실존하는 게 맞을 경우, 제5의 힘이 실존한다는 것을 입증할 수 있게 된다.2021년 있었던 뮤온 g-2 실험으로 새로운 입자나 힘을 발견할 가능성이 생겼다.
5. 둘러보기
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[1] C. Brans and R. H. Dicke, Phys. Rev. 124, 925 (1961)[2] C. Wetterich, Cosmology and the fate of dilatation symmetry, Nucl. Phys. B 302 (1988) 668[3] Bharat Ratra and P. J. E. Peebles, Cosmological consequences of a rolling homogeneous scalar field, Phys. Rev. D 37, 3406 (1988)[4] R. R. Caldwell, Rahul Dave, and Paul J. Steinhardt, Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation of State, Phys. Rev. Lett. 80, 1582 (1998)