[Aether 물리] #15 힘을 전달하는 기본입자
[Aether 물리] #14 물질을 만드는 기본입자 - 페르미온
매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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이전글에서 알아본 물질을 만드는 기본입자 페르미온과 달리 힘을 전달하는 기본입자는 4 개가 있습니다. 아래 표에서 이들을 묶어서 게이지 보손(gauage bosons)이라고 합니다.
각각의 입자들은 서로 다른 분야에서 힘을 전달하는 역할을 하고 있습니다.
- 광자: 전자기력
- W, Z 입자: 약력(약한 상호작용)
- 글루온: 강력(강한 상호작용)
우주에는 4개의 힘이 있습니다.
- 전자기력
- 약력
- 강력
- 중력
그렇습니다. 4개의 힘 관련 입자 중 중력을 전달하는 입자는 아직 발견되지 않았습니다. 발견될까요? 아니면 우리가 힘이 4종류가 아닐까요?
보손(boson)이라는 용어는 인도 물리학자 사티앤드라 보스의 이름을 땄습니다. 페르미온과 다른 성질을 가지는 것들입니다. 보손은 보스-아인슈타인 통계를 따르는 녀석들이고, 페르미온은 페르미-디랙 통계를 따르는 녀석들입니다. 무슨 말인지..
그런데 둘 사이에 큰 차이점이 있습니다 .바로 보손은 파울리의 배타원리를 따르지 않습니다. 즉, 두 개 이상의 입자들이 같은 시간에 같은 상태를 가질 수 있습니다. 파울리의 배타원리를 원자 안의 전자에 적용했을 때, 두 전자가 같은 양자수(n, l, m_l, m_s)를 가질 수 없습니다. 양자수를 나타내는 상태값이 똑같을 수 없다는 것입니다. 이게 매우 중요한 역할을 하는데 나중에 양자역학편에서 좀 더 자세히 알아보겠습니다.
게이지 보손이라는 말은 게이지 이론에서 힘을 전달하는 입자라는 뜻인데, 게이지는 계수기, 눈금이란 의미입니다. 간단히하면, 물리적 변환식들에서 값들의 눈금을 변화시키는데, 이런 "게이지" 변환에도 물리가 변하지 않는 것을 게이지 불변성이 있다고 얘기합니다. 이와 유사하게 전역적(global)인 변환에도 물리가 변하지 않으면 게이지 대칭성이 있다고 합니다. 복잡한 상황에 대한 간단한 대칭 상황이 잇어서 문제를 쉽게 해결할 수가 있습니다.
이런 어렵고 이론적인 부분보다 좀 특징적인 것을 살펴보죠. 보손 입자 모두 스핀이 1입니다. 페르미온은 1/2인데, 개념적으로 페르미온보다 2배 빨리 회전한다고 할 수 있다고 하는데... 스핀은 우리가 아는 회전이 아닌데 이게 무슨 의미일까요? 그냥 단순히 스핀이라는 특성이 뭔지 모르겠지만, 값 차이가 2배 난다고 하는게 속 편한거 같습니다.
위 표에서 보손의 일종인 광자(photon), 글루온(gluon)의 질량값을 보세요. 0입니다. 이럴수가! 질량이 없는 입자라니! 질량이 없다는 것이 무엇을 의미하는지 모르겠습니다. 이것이 물리 현상을 끼워 맞추기 위해 나온건지. 질량이 없는 입자가 존재한다는 것은 아인슈타인이 속도가 빠르면 시간이 느리게 간다는 것보다 더욱 이해하기 힘든 부분이라고 생각된에요. 나중에 이더 물리에서 좀 명쾌히 밝혀지면 좋겠네요!
광자
힘을 전달하는 입자라고요? 네. 자석 두 개는 서로 당기거나 밀거나 합니다. 이 때 당기는 힘!, 미는 힘은 무엇일까요? 뭔가 작용을 하니깐 자석들이 당겨지고 밀려나는 것이겠죠? 이 때 이 힘을 일으키는 것이 바로 게이지 보손 중 하나인 광자(photon)입니다. 두 자석 사이에 광자를 주고 받으면서 힘이 전달되는 것입니다. 광자는 자석과 같은 자기력뿐만 아니라 전기력에도 동일하게 힘을 전달하는 역할을 합니다. 그래서 전기와 자기는 같은 것입니다.
그런데 두 자석에 광자가 왔다 갔다 한다면 왜 그 광자는 보이지 않는 것일까요? 보인다는 것의 의미를 생각해 볼 필요가 있습니다. 뭔가가 보인다는 것은 빛이 그 물체에 맞고 반사되어 우리 눈으로 들어와야지 비로소 보이게 되는 것입니다. 우리 눈에 빛이 들어오지 않는다면 그 무엇도 볼 수가 없는 것이죠. 자석의 경우 빛 입자인 광자는 힘을 전달하는데 쓰이지 반사되거나 하지 않기 때문에 우리는 그것을 볼 수 없습니다.
위크 보손
위크 보손(weak boson)은 약한 상호작용을 매개하는 입자입니다. 약력을 전달하는 입자이죠. 다행히 이들은 질량이 있네요. 휴~ 그리고, 질량이 꽤 큽니다. top 쿼크를 제외하고(힉스 보손제외) 가장 무겁네요.
아래 참고책에서는 위크 보손을 거의 다루지 않고 있습니다. 왜지?
약력이라고 해서 4가지 기본 힘에서 꼴지는 아닙니다. 중력보다 셉니다! 중력이 꼴지이죠. 원래 약한 힘이 아닌데, 강력보다 10^6배 약해서 이런 이름이 붙었습니다. 중력보다는 어머어마하게 큽니다!
위 그림에도 나타났듯이 약력은 방사성 붕괴 현상을 설명하기 위한 것입니다. 탄소 동위원소 반감기를 이용해서 연대를 측정하는데, 이 때 발생하는 것이 베타 붕괴입니다.
위 그림에서 중성자가 붕괴되어 전자(또는 양전자)와 뉴트리노가 방출되는 현상입니다. 중성자에서 전자가 방출되었기 때문에 중성자는 전하를 띄게 되어 양성자가 됩니다. 이러한 붕괴현상이 특정한 속도로 벌어지는데 이를 이용하여 물체의 "나이"를 측정할 수가 있는 것입니다.
글루온
힘을 전달하는 입자 중에 글루온(gluon)이라고 있습니다. 글루온은 물질을 구성하는 쿼크 입자를 강력하게 연결하는 강력한 풀과 같은 입자입니다. 글루온이 쿼크들을 강력하게 붙잡아서 양성자, 중성자들이 구성될 수 있는 것입니다.
참고
소립자 물리학은 다음 책을 참고하였습니다.