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| 영어 | Gauge boson |
1. 개요
게이지 이론에서 기본 상호작용을 매개하는, 스핀이 정수고 보스-아인슈타인 통계를 따르는 입자다. 사실상 게이지 보손은 스핀이 0인 스칼라 보손과 다르게 스핀을 가지고 있으므로 벡터 보손(Vector Boson)으로 칭하기도 하다. 벡터(vector)가 본디 '무언가를 실어나르는 것'이라는 의미라는 것에 비춰 본다면 이것대로 적절한 이름이다. 파울리 배타 원리를 따르지 않으므로, 여러 입자가 동일한 상태에 겹쳐있을 수 있다.2. 게이지 이론
위상이 변화(연속 변환)하더라도 관측 가능량이 불변[1]할 경우 위상 변화와 물리 법칙의 불변성을 동시에 설명할 수 있는데, 이를 위해 대칭성이 도입된다. 예를 들어, 파동함수의 위상자가 변화되더라도[2] 라그랑지안의 형태가 변화되지 않으면 게이지 대칭성이 있다고 한다.그런데, 표준 모형의 형성 과정에서 전자기력(게이지 입자 = 광자)과 약한 상호작용(게이지 입자 = [math( W/Z )]입자)의 형태가 큰 틀에서 같다는 것이 발견되고 이를 통합하지만 그래도 다르게 하기 위한(광자는 질량이 없지만 [math( W/Z )]는 무겁다) 대칭성 파괴 메커니즘의 보존으로 힉스장이 도입되었다. 또한 다른 중요한 이유로 몇 년 후에, 특정 게이지 대칭성이 유지되는 계에서 입자가(정확히는 페르미온이) 질량을 가질 수 없으나 표준 모형의 입자들은 각각 질량을 가진다는 문제를 해결할 수 있음이 밝혀졌다. 여기서 중심이 되는 개념이 자발적 대칭성 깨짐으로 이를 일으키는 힉스 필드의 대응 입자를 힉스 입자라 이름 붙인 뒤, 표준 모형의 무결성을 증명하기 위해 힉스 입자가 실재하는 입자임을 찾으려 했던 것.[3]
이에 대한 내용은 표준 모형 항목에 매우 자세하게 설명되어 있다.
1930년대 오펜하이머와 페르미 등이 전자기파의 양자이론을 연구하였다. 하지만 이들의 이론은 여러모로 미완성의 이론이었다. 1940년대 램 이동이라는 현상이 발견되었고 도모나가와 슈윙거, 파인만, 다이슨은 램 이동을 전자와 양자화된 전자기장과의 상호작용으로 설명하는 데에 성공한다. 전자기 상호작용을 양자역학적으로 기술하는데 성공한 이들의 이론은 양자전기역학으로 불린다.
전자기장의 양자화를 설명하는 과정에서 파동함수의 위상이 특정 방식으로 바뀌더라도 관측가능한 양, 입자의 분포, 입자의 속도, 에너지 등의 속성이 불변하여 물리법칙이 성립한다는 점을 보장하는 성질, 물리법칙이 가져야 할 특성인 게이지 대칭성이 활용되었다.[4][5]
게이지 대칭성의 존재는 그에 대응하는 게이지 장[6]이 존재하는 것을 의미한다. 이 게이지장을 기술하는 특성을 만족시키면서 국소적으로 존재확률이 0이 아닌 해가 있는데 이것이 바로 게이지 입자이다. 불확정성의 원리에 따라 게이지 입자도 짧은 순간이라면 진공 속에서 나타났다가 사라질 수 있는데, 표준모형은 이 가상입자와 실제 입자의 상호작용을 힘으로 설명한다. 즉, 우주에 존재하는 힘이 사실은 입자를 주고받으며 생긴다는 것이다. 이는 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용이 각각 광자, [math( W/Z )]입자, 글루온이라는 입자를 주고받으며 생긴다는 뜻이 된다.
게이지 대칭성이라는 것 자체가 당연한 대칭성(우주 전체의 위상을 일정 수치 돌린다든지)을 제외하면 특정 상호작용을 기술하기 위한 것이기 때문에 특정 게이지=특정 게이지 입자(힘 전달 입자)=특정 힘 이라고 이해해도 좋다.
3. 특성
게이지 보손의 정체는 게이지 장의 들뜬(excitation) 상태이다. 즉, 잠잠하던 (즉 바닥 상태에 있던) 장이 살짝 들뜬 걸 입자라고 보는 것이다. 사실 바닥 상태에서 벗어난 상태를 양자역학적으로 기술하려다 보면 들뜬 상태가 자연스럽게 나타나게 되며, 어떻게 성분을 잘 쪼개 놓고 보면 그 성분이 입자처럼 행동하기에 이 들뜬 상태를 특별히 입자로 간주하는 것.[7] 자세한 건 양자장론 참조.한편 양자장론 안에서 이론을 전개하다 보면 게이지 장을 통해 (예컨대 전기장을 통해) 두 입자가 상호작용하는 것을 게이지 보손을 주고받는 것으로 해석할 수 있다. 이걸 눈에 확 들어오는 꼴로 바꾼 게 바로 파인만 다이어그램. 문서를 보면 알겠지만 파인만 다이어그램 하나는 사실 어떤 수식이며 점, 선들 하나하나가 해당 수식의 부분들에 해당한다. 원래 그냥 별 의미 없어 보이던 수식 덩어리를 리처드 파인만이 그림으로 바꿔 버린 것. 그런데 애초부터 각 선들은 입자들의 동역학적 진행(propagation)을 표현하고 있어서, 즉 에너지와 운동량의 흐름을 표현하고 있어서 파인만 다이어그램이 단순히 수식을 편하게 표현하는 것을 넘어서 입자의 반응 그 자체를 직관적으로 표현하는 도구 역할까지 수행할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 해석을 통해 파인만 다이어그램에서 나타나는 게이지 장의 선들이 게이지 보손의 교환으로 해석될 수 있는 것이다. 흔히 현대 물리학에서 4대 상호작용이 매개 입자의 교환으로 설명된다고 많이들 서술하는데, 바로 이걸 말하는 것이다.
게이지 보손에는 광자, [math( W/Z )] 보손, 글루온이 있으며, 각각 전자기 상호작용, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 매개한다. 이 중에서 광자와 [math( W/Z )] 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.
4. 종류
- 글루온 – 강한 상호작용을 매개하는 게이지 보손이다.
- 광자 – 전자기력을 매개하는 게이지 보손이다.
- W와 Z 보손 – 약한 상호작용을 매개하는 게이지 보손으로, [math( W )]보손과 [math( Z )]보손으로 나뉜다. 각각 스핀이 1이며, [math( W^+ )], [math( W^- )] 각각은 ±1의 전하를, [math( Z )]보손은 0의 전하를 갖는다. 게이지 보손은 기본적으로 질량이 0인데, [math( W/Z )]보손은 골드스톤 보손이라는 입자를 삼켜 질량을 갖게된다. (이러한 설명을 힉스 메커니즘이라고 한다.) [math( W/Z )]보손의 대칭성이 깨졌기 때문에 일어나는 현상으로, 대칭성이 깨지지 않은 광자나 글루온은 질량을 갖지 않는다.
중력자– 존재여부가 확인되지 않은, 이론상으로만 추측되는 게이지 보손으로, 중력을 매개한다.X17(?)– 만약 제5의 힘이 있다면 그 힘을 매개하는 입자이다. 제5의 힘이 있을 것으로 추정되는 실험이 있는데 2015년 베릴륨의 동위원소의 붕괴를 관측하던 중 붕괴할 때 나온 빛이 전자와 양전자의 각도가 140도인 현상을 발견했다[8] 이는 기존 물리법칙으로는 설명할 수 없는 현상이다. 그리고 최근에 헬륨의 동위원소가 붕괴되면서 나온 빛이 붕괴할때 전자와 양전자의 각도가 115도인 것을 발견하여 연구팀은 이 힘을 매개하는 입자를 X17로 이름지었다. 이 입자는 전자의 약 33배의 질량을 가지고 있고 수명은 약 10-14초가 될 것으로 예상된다.
[1] 관측하는 틀을 바꾸더라도 물리 법칙이 불변[2] 예를 들어, 위상자를 곱해주는 것. 위상 부분이 공간에 의존하면 local, 의존하지 않으면 global 변환[3] 여러 가지 측면을 설명할 수 있는 입자였기에 각각의 관점에서 동시다발적으로 힉스 입자의 존재를 예측했다는 의미로 요약된다.[4] 종종 거울 속에서 물리법칙이 성립하는가?와 같은 예시를 들어 설명하기도 한다.[5] CPT 대칭성을 요약하면 전하(C), 패러티(P), 시간(T)을 각각 고려할 경우 마치 물리법칙에 위배되는 것처럼 행동하나 이는 동시에 고려할 경우 오히려 물리법칙의 불변성을 증명한다는 의미이다. CPT에 대해 변환시켜도 그 시스템에는 원래의 물리법칙과 똑같은 물리법칙이 적용된다는 의미.[6] 필드, 양자장 할때 장이다. 물리학에서 장이란 그냥 위치에 따라 다른 값을 갖는 연속적인 물리량[7] 높은 레벨의 이론 물리학에서는 게이지 보손 뿐만 아니라 전자, 쿼크 등 모든 입자들이 전부 어떤 장(field)의 들뜬 상태인 것으로 해석한다. 예를 들어 전자나 쿼크는 스피너 장이라고 불리는 어떤 장의 들뜬 상태를 나타낸 것이다.[8] 원랜 180도가 나오는 게 정상이다.