페르미와 보손 입자

안녕하세요 @chosungyun입니다.
이 세상은 아직 밝혀지지 않은 과학적 사실들이 많습니다.
최근에 들어 발견한 힉스입자와 중력파 등을 토대로 현대과학은 점점 발전해나가고 있지만
아직 궁금한건 많습니다. 중성미자 진동, 초대칭, 암흑물질과 암흑에너지, 반입자와 입자 뭐 등등
정말 많습니다. 그러니 과학연구가 끝이 없는 것이겠죠.

잡설이 길었네요.
오늘은 페르미 입자와 보손 입자에 대해 이야기해 보려고 합니다.
이 세상을 이루는 가장 기본 입자로 오랫동안 불려오던 원자는 양성자와 중성자로 구성된 핵자와 그 주변을 회전하는 전자로 이루어져 있습니다.
양성자와 중성자는 또 업쿼크, 다운쿼크, 글루온으로 이루어진 입자입니다.

이러한 입자들을 분류하는 것에서 특징에 따라 두 종류의 입자로 구분이 가능합니다.
바로, 페르미입자와 보존 입자입니다.
페르미입자는 페르미-디락 통계를 따르는 입자이고 보손 입자는 보스-아인슈타인통계를 따르는 입자입니다.
각 통계개념은 생략하고 간단히 말하면 페르미입자는 같은 상태로 겹쳐있지 않는 입자이고 보손입자는 여러 입자가 겹쳐 있을 수 있는 상태의 입자로 서로 구별을 할 수 없습니다.

여기서 상태가 겹쳐있다! 라는 말은 구별을 할 수 없다는 말로 분별할 방법이 없다는 뜻이죠.
즉, 특징이 다 같다는 뜻입니다.
우리가 눈에 보이는 상태는 무게와 모양, 상태 등을 통해 구별하겠지만 원자 상태로 가면 질량과 전하량 등으로 구분이 될 것입니다. 하지만, 입자를 다룸에 있어서는 아주 세세한 비교가 필요하니 조금 더 살펴보아야 할 것입니다.

입자의 특징, 운동 등을 표현하기 위해서는 양자역학에서 파동방정식을 이용합니다.
입자의 위치는 파동방정식에 의해 확률적으로 존재합니다.

책을 보면 이것을 설명하기 위해 슈뢰딩거 고양이와 불확정성원리로 책을 보통 시작합니다.
슈뢰딩거 고양이는 고양이와 방사성물질을 이용한 사고실험입니다. 이 실험은 고양이와 방사성물질이 담긴 용기를 불투명한 박스에 넣어놓고 고양이가 죽었냐 살았냐 물어보는 실험입니다. 고양이는 언제 죽을지 모릅니다. 열어봐야 아는 것이죠. 열어보기 전까지는 죽었다 살았다 모든 상태가 공존하는 상태입니다. 아무도 어떤 상태라고 말할 수 없는 것이죠. 이것을 중첩원리라고 설명합니다.

이 예시는 위에서 말하는 보손 입자가 상태가 겹쳐있다라는 말과는 다른이야기입니다. 양자역학에 대해 이야기 하기 위해 꺼낸 예시로 중첩원리는 입자의 상태를 하나의 상태로 방정식을 세울 수 없으니 중첩원리를 이용해 나타내는 것이고 보손 입자가 겹쳐있다는 뜻은 입자를 구별할 수 없다는 뜻입니다.

본론으로 돌아와 이런 이야기를 한 이유는, 이런 확률성으로 입자의 거동을 통계에 따라 나타낸다는 것이죠.

그런데, 하고 싶은 말은 양자역학에서 보면 입자의 특징을 나타내는 값이 있습니다.
양자수라는 말이 나오는데 양자역학에서 물리량의 값을 구별하는 값을 말합니다.

이 양자수는 주양자수, 궤도양자수, 자기양자수, 스핀양자수가 있는데 각각의 설명은 생략하고 모든 것이 다 같은 상태일 때 즉, 모든 특징이 다 같을 때 두 입자를 구별하는 방법은 스핀양자수입니다. 그래서 페르미입자의 경우는 반정수의 스핀 값을 가집니다.
한편, 스핀양자수가 정수면 보손 입자입니다.

페르미입자의 대표적인 입자는 쿼크와 랩톤입니다.
양성자, 중성자, 전자는 이 페르미입자에 해당합니다.
한편, 보손입자는 글루온, W, Z 보손, 광자, 힉스입자가 해당됩니다.
글루온은 강력을 광자는 전자기학을 W, Z 보손은 약력으로 베타붕괴를 매개합니다.

따라서 페르미입자는 우리가 아는 모든 세상을 구성하고 있는 입자이고 보손 입자는 힘을 만들어내는 입자로 볼 수 있겠네요.

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“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글이미지입니다”