강한 상호작용
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1. 개요
강한 상호작용은 네 가지 기본 힘 중 하나로, 쿼크와 글루온을 결합하여 양성자, 중성자, 원자핵 등을 형성하는 데 기여하는 힘이다. 1930년대 원자핵 내 양성자 간 반발력을 설명하기 위해 도입되었으며, 쿼크 모형과 양자색역학(QCD) 이론을 통해 그 본질이 밝혀졌다. 강한 상호작용은 쿼크 사이에서 작용하며, 1 펨토미터(fm) 이하의 거리에서 전자기력보다 약 137배, 약한 상호작용보다 약 10^6배, 중력보다 약 10^38배 강하다. 이 힘은 쿼크 간 거리가 멀어져도 세기가 줄어들지 않는 특징을 가지며, 쿼크가 분리되지 않도록 하는 '색 가둠' 현상을 보인다. 강한 상호작용의 잔류 효과인 핵력은 핵자 간에 작용하여 원자핵을 안정적으로 유지하며, 핵융합과 핵분열의 동력이 된다. 대통일 이론은 강한 상호작용과 약전자기 상호작용을 통합하려는 시도이나, 아직 성공적으로 공식화되지 않았다.
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- 양자색역학 - 양자 색역학
양자 색역학은 색 전하를 국소 대칭으로 정의한 SU(3) 게이지 군의 비아벨 게이지 이론으로, 쿼크와 글루온을 기본 입자로 하여 쿼크 사이의 강한 상호작용을 매개하며, 점근적 자유성과 색 가둠의 특징을 가지는 이론이다. - 양자색역학 - 쿼크
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| 강한 상호작용 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 상호작용 종류 | 기본 상호작용 |
| 작용 대상 | 쿼크, 글루온 |
| 매개 입자 | 글루온 |
| 이론 | 양자 색역학 (QCD) |
| 상대적 강도 | 10^38 (중력 = 1 기준) |
| 범위 | 쿼크 간: 약 10^-15 m (페르미, 핵 크기) 핵자 간: 복잡한 효과, 핵력으로 설명 |
| 세부 정보 | |
| 색전하 | 3가지 (색) |
| 결합 상수 | αs (에너지 스케일에 따라 변함) |
| 특성 | 색 가둠, 점근적 자유성 |
| 관련 개념 | |
| 관련 이론 | 표준 모형 |
| 관련 현상 | 제트 (hadron jets) |
2. 역사
1930년대에 원자핵이 양성자와 중성자로 구성되어 있다는 사실이 밝혀졌지만, 양성자 간의 전자기적 반발력에도 불구하고 원자핵이 안정적으로 결합하는 현상은 당시 물리학으로는 설명하기 어려웠다. 이에 과학자들은 핵자들 사이에 작용하는 더 강력한 힘, 즉 '강력'이라는 가상의 힘을 도입하여 이 문제를 설명하고자 했다.[4]
1964년 머리 겔만과 조지 츠바이크는 쿼크 모형을 제안하여, 핵자 사이의 강한 상호작용이 사실은 쿼크 사이의 더 근본적인 힘의 결과임을 제시하였다. 1970년대에 양자색역학(QCD) 이론이 발전하면서, 강한 상호작용은 색전하를 가진 쿼크와 글루온 사이의 상호작용으로 설명되었다.[5]
2. 1. 강한 핵력과의 관계
1970년대 이전에는 핵자들 사이에서 전기적 반발력을 극복하고 원자핵을 결합시키는 힘을 '강한 핵력'이라고 불렀다. 하지만 쿼크 모형이 등장하면서, 핵자 사이의 힘은 쿼크 사이의 강한 상호작용의 잔류 효과, 즉 '잔류 강한 상호작용'으로 재정의되었다.[4] 이전의 '강한 핵력'은 '잔류 강한 핵력'이라고도 하며, 양자 색역학에 기반한 쿼크 사이의 강한 상호작용은 '색력(color force)'이라고도 한다.
핵력은 중간자와 바리온 사이에 작용하며, 가상 파이온과 로중간자를 형성하는 글루온을 통해 핵자 사이에 힘을 전달한다.[8] 이는 쿼크를 결합시키는 강한 상호작용의 잔여 현상이지만, 핵자 내부에서 대부분 상쇄되기 때문에 핵자 사이에서는 훨씬 약하게 작용한다.[9] 핵력은 거리가 멀어질수록 급격히 약해지며, 이러한 특징은 유카와 퍼텐셜로 설명할 수 있다. 핵력의 감소는 전자기력의 감소보다 더 빠르게 일어나기 때문에, 원자 번호가 82(납)보다 큰 원자핵은 불안정해진다.
핵력은 강한 상호작용 자체보다는 약하지만, 여전히 매우 높은 에너지를 가지고 있다. 핵력과 관련된 퍼텐셜 에너지는 질량 결손을 일으키며, 이러한 질량 결손의 차이는 핵융합과 핵분열의 에너지원이 된다.
3. 강한 상호작용의 특징
1971년 이전까지 물리학자들은 원자핵이 어떻게 결합되어 있는지 명확히 알지 못했다. 원자핵이 양성자와 중성자로 구성되어 있으며, 양성자는 양의 전하를 띠고 중성자는 전기적으로 중성이라는 사실은 알려져 있었다. 당시 물리학 지식으로는 양성자들의 전자기적 반발력 때문에 원자핵이 유지될 수 없었지만, 실제로는 원자핵이 안정적으로 존재했다. 이러한 현상을 설명하기 위해 새로운 물리학이 필요했다.
1964년에 머리 겔만과 조지 츠바이크는 쿼크 모형을 제안했다. 이들은 양성자와 중성자를 포함한 강입자들이 '쿼크'라고 불리는 기본 입자로 구성되어 있다고 주장했다.[4] 핵자 사이의 강한 인력은 쿼크를 결합시키는 더 근본적인 힘의 결과물이었다. 양자색역학(QCD)에 따르면, 쿼크는 색전하를 가지며, 서로 다른 색전하를 가진 쿼크는 강한 상호작용을 통해 서로를 끌어당긴다. 이 상호작용을 매개하는 입자를 글루온이라고 한다.[5]
강한 상호작용은 SU(3) 게이지군을 기반으로 하는 비가환 게이지 이론인 양자색역학(QCD)에 의해 설명된다.
3. 1. 힘의 세기 및 범위
강한 상호작용은 네 가지 기본 힘 중에서 가장 강력하다. 10−15m 거리에서 그 세기는 전자기력의 약 100배, 약한 상호작용의 약 106배, 중력의 약 1038배이다.[6]강한 상호작용은 두 가지 범위에서 관측되며, 각 범위에서 서로 다른 힘 매개체에 의해 매개된다. 약 0.8 fm(대략 핵자의 반지름)보다 작은 규모에서는, 힘은 글루온에 의해 매개되며, 쿼크들을 서로 결합하여 양성자, 중성자 및 기타 하드론을 형성한다. 약 3 fm까지의 더 큰 규모에서는, 힘은 메손에 의해 매개되며, 핵자(양성자와 중성자)를 결합하여 원자핵을 형성한다.[6]
| 상호작용 | 범위 | 결합된 것 | 매개체 | 결과 |
|---|---|---|---|---|
| 강한 상호작용 | < 0.8 fm | 쿼크 | 글루온 | 하드론 |
| 잔류 강한 상호작용 | 1–3 fm | 하드론 | 메손 | 원자핵 |
강한 힘은 쿼크들 사이에서 작용한다. 다른 모든 힘(전자기력, 약한 힘, 중력)과 달리, 강한 힘은 쿼크 쌍 사이의 거리가 증가함에 따라 세기가 감소하지 않는다. 제한 거리(약 하드론의 크기)에 도달한 후, 쿼크 사이의 거리가 아무리 멀어져도 약 10000N의 세기로 유지된다.[9]
3. 2. 색 가둠
강한 상호작용의 특징 중 하나는 색 가둠이다. 색 가둠은 쿼크가 단독으로 존재하지 못하고 항상 하드론(중간자 또는 중입자) 형태로만 존재하게 하는 현상이다.[9] 쿼크를 분리하려는 시도는 새로운 쿼크-반쿼크 쌍을 생성하여 다시 하드론을 형성하게 만든다.[9] 이러한 이유로, 자유 쿼크를 탐색하려는 모든 실험은 실패하였으며, 이는 색 가둠 현상의 증거로 간주된다.[9]강한 힘은 쿼크들 사이에서 작용하며, 쿼크 쌍 사이의 거리가 증가해도 세기가 감소하지 않는 특징을 보인다. 제한 거리(약 하드론의 크기)에 도달한 후에는 쿼크 사이의 거리가 아무리 멀어져도 약 의 세기로 유지된다.[9] 쿼크 사이의 분리가 커짐에 따라 쌍에 추가된 에너지는 새로운 쿼크 쌍을 생성하며, 이는 다시 하드론을 형성한다.
고에너지 충돌에서 기본적인 쿼크와 글루온은 직접 관찰할 수 없지만, 이 상호작용으로 인해 새로 생성된 하드론의 제트가 생성된다. 이는 질량-에너지 등가성의 발현으로, 충분한 에너지가 쿼크-쿼크 결합에 주입될 때 생성된다. 예를 들어, 입자 가속기 실험에서 양성자의 쿼크가 다른 양성자의 쿼크와 충돌할 때 이러한 현상이 발생한다. 그러나 쿼크-글루온 플라즈마는 관측된 바 있다.[7]
3. 3. 글루온
글루온은 강한 상호작용을 매개하는 입자로, 질량이 없고 색전하를 가지고 있어 쿼크와 상호작용한다. 전자기 상호작용의 광자와 달리 글루온은 스스로 색전하를 가지므로, 글루온끼리도 강한 상호작용을 한다. 글루온은 쿼크와 함께 강한 상호작용에 참여하는 유일한 기본 입자이다.[6]
강한 상호작용의 힘 매개 입자는 질량이 없는 게이지 보손인 글루온이다. 글루온은 색전하를 통해 쿼크 및 다른 글루온과 상호 작용한다. 색전하는 전자기 전하와 유사하지만, 세 가지 유형(±빨강, ±녹색, ±파랑)이 있으며, 이로 인해 서로 다른 행동 규칙이 생긴다. 쿼크와 글루온은 영이 아닌 색전하를 갖는 유일한 기본 입자이며, 따라서 서로만 강한 상호 작용에 참여한다. 강한 힘은 글루온이 다른 쿼크 및 글루온 입자와 상호 작용하는 표현이다.[14]
양자색역학(QCD)에서 모든 쿼크와 글루온은 강한 힘을 통해 서로 상호 작용한다. 상호 작용의 세기는 강한 결합 상수에 의해 매개된다. 이 세기는 입자의 게이지 색전하, 즉 군론적 속성에 의해 수정된다.[15]
4. 핵력 (잔류 강한 상호작용)
1970년대 이전까지 핵자(양성자와 중성자)는 기본입자로 여겨졌고, '강력' 또는 '강한 핵력'이라는 용어는 핵자 간의 힘, 즉 아주 가까운 거리에서 정전기력을 극복할 만큼 강한 힘을 의미했다. 그러나 쿼크가 발견되면서 핵자 간의 힘은 실제 강한 상호작용이 강입자(바리온과 중간자)에 작용할 때 발생하는 잔류 현상, 즉 '''핵력'''(잔류 강한 핵력)임이 밝혀졌다.
핵력은 메손과 바리온 사이에서 작용한다. 이 "잔류 강한 힘"은 가상 π과 ρ 메손의 일부를 형성하는 글루온을 통해 간접적으로 작용하여 핵자 사이의 힘을 전달한다(수소-1 핵은 제외).[8]
핵력은 쿼크를 양성자와 중성자로 결합하는 강한 힘의 작은 잔여 현상이다. 이 힘은 중성자와 양성자 ''사이''에서는 훨씬 약한데, 이는 중성 원자 사이의 전자기력(반데르발스 힘)이 전자가 핵과 결합하여 원자를 형성하는 전자기력보다 훨씬 약한 것과 같은 방식으로, 대부분 ''내부''에서 중화되기 때문이다.[9]
강한 힘과 달리 핵력은 거리에 따라 감소하며, 매우 빠르게 감소한다. 감소는 거리의 음의 지수 함수로 근사되지만, 이에 대한 간단한 표현은 알려져 있지 않다. ''유카와 퍼텐셜'' 참조. 핵 내 양성자 사이에서 작용하는 척력인 전자기력의 감소보다 매력적인 잔여 힘의 거리에 따른 빠른 감소는 82(납)보다 큰 원자 번호를 가진 모든 원자핵의 불안정성을 초래한다.
핵력은 강한 상호작용 자체보다 약하지만 여전히 매우 높은 에너지를 가지고 있다. 전이는 감마선을 생성한다. 핵의 질량은 개별 핵자의 질량 합계와 상당히 다르다. 이 질량 결손은 핵력과 관련된 퍼텐셜 에너지 때문이며, 핵융합과 핵분열의 동력원이다.
5. 대통일 이론
대통일 이론(GUT)은 전자기력과 약력을 글래쇼-와인버그-살람 모형에 의해 약전자기 상호작용으로 통합한 것과 유사하게, 강한 상호작용과 약전자기 상호작용을 단일 힘의 측면으로 설명하려는 것을 목표로 한다. 강한 상호작용은 높은 에너지(또는 온도)에서 강력의 세기가 감소하는 점근적 자유성이라는 성질을 가지고 있다. 강력의 세기가 약전자기 상호작용과 같아지는 이론적 에너지를 대통일 에너지라고 한다. 그러나 이 과정을 설명하는 대통일 이론은 아직 성공적으로 공식화되지 않았으며, 물리학의 난제로 남아 있다.
만약 대통일 이론이 정확하다면, 빅뱅 이후 우주의 약전자기 시대 동안 약전자기력은 강력으로부터 분리되었다. 따라서 이보다 이전에 대통일 시대가 존재했을 것이라고 가정한다.
참조
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Basic Books
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