보손

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1. 개요
2. 명칭
3. 성질
- 3.1. 여러 보손 입자들의 계
4. 종류
5. 보손 다체계
참조

1. 개요

보손은 정수 스핀을 갖는 입자로, 파울리 배타 원리를 따르지 않아 여러 입자가 동일한 양자 상태를 가질 수 있다. 보손이라는 이름은 사티엔드라나트 보스의 공헌을 기리기 위해 폴 디랙이 명명했다. 보손은 양자장론에서 중요한 역할을 하며, 스핀에 따라 스칼라 보손, 벡터 보손, 중력자로 분류된다. 기본 보손에는 게이지 보손, 광자, 글루온, W와 Z 보손, 힉스 보손 등이 있으며, 짝수 개의 페르미온으로 구성된 합성 보손도 존재한다. 보손은 보스-아인슈타인 통계를 따르며, 낮은 온도에서 보스-아인슈타인 응축과 같은 특이한 성질을 나타낸다.

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보손
보손 입자
분류	아원자 입자
통계	보스-아인슈타인 통계
상호작용	강한 상호작용 약한 상호작용 전자기 상호작용 중력 상호작용
반입자	존재 (자신이 반입자인 경우 포함)
스핀	플랑크 상수의 정수배
렙톤 수	0
바리온 수	0
기타 정보
아이소 스핀	정수 또는 0
약한 아이소 스핀	정수 또는 0
약한 아이소 스핀 3	정수 또는 0
초전하	정수 또는 0
약한 초전하	정수 또는 0
카이랄리티	존재
B-L	0
X 전하	정수 또는 0
패리티	존재
G 패리티	존재
C 패리티	존재
R 패리티	존재

2. 명칭

보손(boson)이라는 이름은 폴 디랙^[3]^[4]이 인도 물리학자 사티엔드라나트 보스의 공헌을 기념하기 위해 만들었다. 보스는 방글라데시 다카 대학교에서 강사(후에 교수)로 재직하면서 알베르트 아인슈타인과 함께 입자들을 특징짓는 이론을 개발했는데, 이는 현재 보즈-아인슈타인 통계와 보즈-아인슈타인 응축으로 알려져 있다.^[5]^[6]^[7]

3. 성질

양자장론의 스핀-통계 정리에 따라, 로런츠 대칭이 깨지지 않는 이상 모든 보손은 항상 정수의 스핀을 갖는다. 가능한 스핀은 0, 1, 2 등이다. 기본 보손의 경우, 와인버그-위튼 정리에 따라 보통 0, 1, 2만이 가능하다고 여겨지며, 스핀 2인 입자는 중력자, 스핀 1인 입자는 '''벡터 보손''', 스핀 0인 입자는 '''스칼라 보손'''으로 불린다.

페르미온과 달리, 보손은 파울리 배타 원리를 따르지 않는다. 즉, 한 양자 상태에 임의의 수의 보손이 존재할 수 있다. 따라서 보손은 낮은 온도에서 보스-아인슈타인 응축 등의 특이한 성질을 보인다.

3. 1. 여러 보손 입자들의 계

양자장론에서, 정수 스핀을 가진 입자는 두 개의 동일입자를 교환했을 때 파동함수의 부호가 변하지 않는다. 즉, 여러 개의 동일한 보손으로 이루어진 계의 전체 파동함수를 ψ, i번째 입자의 좌표를 x_i라고 하면, 다음과 같다.

:

\psi( \ldots , x_{i}, \ldots, x_{j} , \ldots ) = \psi( \ldots , x_{j}, \ldots , x_{i} , \ldots )

위 식은 i번째와 j번째 입자를 교환해도 파동함수의 부호가 바뀌지 않음을 뜻한다.

두 개의 보손이 있고 각각의 1입자 파동함수가 φ, χ로 표현될 수 있다면, 두 보손의 전체 파동함수는 단순한 곱의 형태인

:

\psi(x_1, x_2) = \phi(x_1) \chi(x_2)

가 아니라, 입자 교환에 대한 대칭성을 고려하여 다음과 같이 표현되어야 한다.

:

\psi(x_1, x_2) = \phi(x_1) \chi(x_2) + \phi(x_2) \chi(x_1)

페르미온과 달리, 보손은 두 입자가 같은 1입자 파동함수를 가지는 다음과 같은 상태가 허용된다.

:

\psi(x_1, x_2) = \phi(x_1) \phi(x_2)

즉, 하나의 계 내에서도 동일한 양자 상태를 여러 개의 입자가 가질 수 있다. 이 규칙으로부터, 열평형 상태에 있는 한 종류의 보손으로 이루어진 계가 따르는 양자 통계가 유도되며, 이를 '''보즈-아인슈타인 통계'''라고 한다.

4. 종류

관측된 모든 기본 입자는 정수 스핀을 가진 보손 또는 반정수 스핀을 가진 페르미온이다.^[8] 일반 물질을 구성하는 기본 입자(렙톤과 쿼크)는 페르미온이지만, 기본 보손은 입자 물리학에서 특별한 역할을 한다. 보손은 다른 입자들 사이에 힘을 발생시키는 힘 매개체 역할을 하거나, 질량 현상을 발생시킨다.

소립자 사이의 상호작용을 매개하는 게이지 입자인 광자, 약한 보손, 글루온(모두 스핀 1)은 보손으로 분류된다. 입사광을 완전히 흡수하는 물체인 흑체에서 나오는 빛의 복사의 진동수 분포(플랑크 분포)는 보스-아인슈타인 통계에서 유도된다.

아직 발견되지 않은 입자 중에서, 중력을 매개하는 게이지 입자인 중력자(그라비톤)는 스핀 2의 보손으로 여겨진다.

질량을 갖게 하는 힉스 입자는 스핀 0의 보손이다.

4. 1. 기본 보손

입자물리학의 표준 모형에 따르면, 현재 알려진 기본 보손은 다음과 같다.^[8]

스칼라 보손(스핀 = 0)
* 힉스 보손 - 힉스 메커니즘을 통해 질량 현상에 기여하는 입자
벡터 보손(스핀 = 1) - 힘 매개체 역할을 하는 게이지 보손
* 광자 - 전자기장의 힘 매개체
* 글루온 (여덟 가지 종류) - 강력을 매개하는 힘 매개체
* Z 보손 - 약력을 매개하는 힘 매개체
* W 보손± (두 가지 종류) - 약력을 매개하는 힘 매개체
2차 텐서 보손(스핀 = 2) (가설)
* 중력자 - 중력의 힘 매개체

이들은 다른 입자들 사이에 힘을 발생시키는 힘 매개체 역할을 하거나, 질량 현상을 발생시킨다. 광자는 전자기파의 양자이며, 글루온은 강한 핵력의 양자이다. W와 Z보손은 약한 핵력을 매개하며, 힉스 메커니즘에 따라 큰 질량을 가진다.

중력자는 중력을 매개하는 입자로 가설적으로 제시되었지만, 아직 표준 모형에 통합되지 않았다. 대부분의 양자 중력 시도는 중력자가 질량이 없을 것으로 예상한다.

초대칭이나 대통일 이론 등, 표준 모형을 확장하는 모형들은 추가적인 보손의 존재를 예측하지만, 아직 발견되지 않았다.

4. 2. 합성 보손

중간자는 쿼크와 반쿼크로 구성되어 짝수 개의 페르미온을 가지므로 합성 보손이다.^[9] 보손들로도 합성 보손을 구성할 수 있다.

복합 입자는 구성 입자에 따라 보손 또는 페르미온이 될 수 있는데, 짝수 개의 페르미온으로 구성된 모든 복합 입자는 보손이다.

합성 보손에는 다음이 포함된다.

모든 종류의 메손
중성자 수가 짝수인 안정적인 원자핵. 예: 중수소, 헬륨-4(알파 입자), 탄소-12, 납-208 등^[10]

4. 3. 준입자

응집물질 물리학에서 나타나는 준입자에는 쿠퍼쌍, 플라즈몬, 포논, 마그논 등이 있으며, 이들은 보손처럼 행동하고 보스-아인슈타인 통계를 따르는 것으로 관찰되었다.^[11] 특히, 초전도 현상에 관여하는 쿠퍼쌍도 보스-아인슈타인 통계를 따른다.

5. 보손 다체계

보스 입자의 다체계로 간주할 수 있는 계에는 두 가지 유형이 있다.^[12]

첫 번째 유형은 입자가 유한한 질량을 가지고 보스 입자 수가 보존되는 것이다. 이 계의 유일한 예는 액체 헬륨이다.

두 번째 유형은 입자가 질량을 가지지 않고 보스 입자 수가 보존되지 않는 것이다. 이 예로는 광자와 고체 내의 포논이 있다.

이 외에도 보스 계는 많다. 페르미 입자적인 성격이 강한 계에서도 포논과 비슷한 준입자가 존재할 수 있다. 또한 강자성체나 반강자성체에서도 포논과 비슷한 준입자가 중요해지며, 스핀파라고 불리고 보스 입자처럼 행동한다.

참조

_[1] 백과사전 boson http://www.lexico.co[...] Oxford University Press
_[2] 서적 Longman pronunciation dictionary Longman
_[3] 서적 Notes on Dirac's lecture ''Developments in Atomic Theory'' at Le Palais de la Découverte, 6 December 1945 UKNATARCHI Dirac Papers
_[4] 서적 The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom https://books.google[...] Basic Books 2009-08-25
_[5] 뉴스 India: Enough about Higgs, let's discuss the boson http://apnews.excite[...] 2012-07-10
_[6] 뉴스 The Bose in the Boson http://latitude.blog[...] 2012-09-19
_[7] 뉴스 Higgs boson: The poetry of subatomic particles https://www.bbc.co.u[...] 2012-07-04
_[8] 서적 Guidebook The Teaching Company
_[9] 학술지 Uses of alpha particles, especially in nuclear reaction studies and medical radionuclide production https://www.degruyte[...] 2016-06-08
_[10] 문서 Even-mass-number nuclides
_[11] 서적 Encyclopedic Dictionary of Condensed Matter Physics https://books.google[...] Academic Press 2004-03-11
_[12] 서적 多体系の量子力学吉岡書店 2019-06

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