게이지 보손
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1. 개요
게이지 보손은 표준 모형에서 힘을 매개하는 입자를 지칭하며, 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 설명하는 데 사용된다. 표준 모형의 게이지 보손은 광자, W 보손, Z 보손, 글루온이 있으며, 각각 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 매개한다. 양자 게이지 이론에서 게이지 보손은 게이지 장의 양자이며, 게이지 군의 각 생성원에 대응하여 존재한다. 게이지 보손은 기본적으로 질량이 없지만, 힉스 메커니즘을 통해 질량을 얻을 수 있으며, 중력을 매개하는 중력자 역시 게이지 보손으로 가정되지만, 현재는 추측만 이루어지는 상태이다. 표준 모형을 넘어서, 대통일 이론은 추가적인 게이지 보손을 예측하며, W'와 Z' 보손과 같은 가설적인 새로운 게이지 보손도 존재할 수 있다.
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- 게이지 보손 - 광자
광자는 전자기파의 기본 입자이자 빛의 입자적 성질을 나타내는 양자이며, 전하를 띠지 않고 에너지와 운동량을 가지며 다양한 기술 분야에 응용된다. - 게이지 보손 - 중력자
중력자는 중력 상호작용을 매개하는 가상의 기본 입자로 여겨지지만, 양자화된 일반 상대성 이론의 문제로 인해 완전한 이론이 확립되지 않았으며, 중력파의 존재가 간접적으로 뒷받침하지만 직접적인 검출은 현재 불가능하고 질량에 대한 상한선이 제시되고 있으며 초대칭 파트너인 그라비티노의 존재가 예측된다. - 보손 - 광자
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전자는 음전하를 띤 기본 입자로서 원자의 구성 요소이며 파동-입자 이중성을 가지고 양자역학으로 설명되며 전자기력, 약한 힘과 상호 작용하여 전자 현미경, 자유전자레이저, 반도체 기술 등에 활용된다. - 기본 입자 - 광자
광자는 전자기파의 기본 입자이자 빛의 입자적 성질을 나타내는 양자이며, 전하를 띠지 않고 에너지와 운동량을 가지며 다양한 기술 분야에 응용된다.
| 게이지 보손 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 소립자 |
| 분류 | 보손 |
| 통계 | 보스-아인슈타인 통계 |
| 상호작용 | 강한 상호작용 약한 상호작용 전자기 상호작용 중력 상호작용 |
| 구성 | 소립자 |
| 스핀 | 1 (중력자는 2) |
| 전하 | 없음 |
| 색전하 | 글루온은 가짐 |
| 이론 및 발견 | |
| 이론화 | 표준 모형 |
| 발견 | 실험적 관측을 통해 입증 |
| 특성 | |
| 질량 | 힘의 종류에 따라 다름 (일부는 질량이 없음) |
| 수명 | 안정적 (힘을 전달하며 존재) |
| 반입자 | 자신과 동일 |
| 상세 속성 | |
| 렙톤 수 | 0 |
| 바리온 수 | 0 |
| 스트레인지니스 | 0 |
| 참 | 0 |
| 보텀 | 0 |
| 톱 | 0 |
| 아이소 스핀 | 해당 없음 |
| 약한 아이소 스핀 | 해당 없음 |
| 약한 아이소 스핀 (3) | 해당 없음 |
| 초전하 | 해당 없음 |
| 약한 초전하 | 해당 없음 |
| 카이랄성 | 해당 없음 |
| B-L | 해당 없음 |
| X 전하 | 해당 없음 |
| 패리티 | 해당 없음 |
| G 패리티 | 해당 없음 |
| C 패리티 | 해당 없음 |
| R 패리티 | 해당 없음 |
2. 표준 모형에서의 게이지 보손
표준 모형은 입자 물리학의 기본 이론으로, 전자기력, 약력, 강력을 설명한다. 표준 모형에서 게이지 보손은 힘을 매개하는 입자로, 광자, W보손과 Z보손, 글루온이 있다.[3] 광자는 전자기력을, W와 Z 보손은 약력을, 글루온은 강력을 매개한다.
게이지 보손은 기본적으로 질량이 없어야 하지만, 약력을 매개하는 W와 Z 보손은 힉스 메커니즘을 통해 질량을 얻는다. 힉스 메커니즘에서 자발적 대칭성 깨짐을 통해 W+, W-, Z 보손은 질량을 가지게 되고, 광자는 질량을 가지지 않는다.
2. 1. 종류
표준 모형에는 다음 세 종류의 게이지 보손이 존재한다.[3]| 종류 | 설명 |
|---|---|
| 광자 | 전자기 상호작용을 매개한다. |
| W 보손과 Z 보손 | 약한 상호작용을 매개한다. |
| 글루온 | 강한 상호작용을 매개한다. 색가둠으로 인해 일반적인 에너지에서는 독립적으로 존재하지 않고, 하드론이나 글루볼 안에서만 존재한다. |
양자 게이지 이론에서 게이지 보손은 게이지 장의 양자이다. 따라서 게이지 군의 각 생성원(generator)에 대응하는 게이지 보손이 존재한다. 예를 들어, 양자색역학의 게이지 군은 SU(3)인데, 8개의 생성원을 가지므로 8종의 글루온이 존재한다. 양자전기역학은 U(1) 게이지 군을 기반으로 하므로, 하나의 게이지 보손(광자)을 갖는다. 와인버그-살람 이론은 SU(2)×U(1) 게이지 군을 기반으로 하므로, 4개의 게이지 보손(W+, W-, Z0 보손, 광자)을 갖는다.
2. 2. 게이지 보손의 다양성
양자화된 게이지 이론에서 게이지 보손은 게이지장의 양자이다. 따라서 게이지 보손의 수는 게이지 장의 생성자 수와 같다. 예를 들어 양자전기역학은 U(1)의 하나의 발생자에 따라 하나의 게이지 보손(광자)을 지니고, 양자색역학에서는 SU(3)의 생성원이 8개이므로 8종의 글루온이 있다. 살람-글래쇼 이론에서는 SU(2)×U(1)의 네 발생자에 따라 4개의 게이지 보손을 지닌다. (이 4개의 보손은 약전자기 대칭이 깨지면 저에너지에서 W보손, Z보손, 광자로 나타난다.)[3]표준 모형에는 세 종류의 게이지 입자가 있다.
각각 표준 모형의 세 가지 힘에 대응한다. 광자는 전자기 상호작용의 게이지 입자이고, W 및 Z 입자는 약한 상호작용을 매개하며, 글루온은 강한 상호작용을 매개한다. QCD의 가둠에 의해, 저에너지에서는 글루온 단독으로 나타나지 않고, 글루볼로 관측된다.
2. 3. 질량을 가진 게이지 보손
게이지 불변성은 게이지 보손이 질량이 없는 입자여야 함을 시사한다. 그렇지 않으면 질량 항이 게이지 변환 하에서 라그랑지안에 0이 아닌 추가 항을 더하여 게이지 대칭성을 위반하기 때문이다. 따라서, 모든 게이지 보손은 질량이 없어야 하며, 이들이 설명하는 힘은 장거리여야 한다. 그러나 약한 상호작용은 단거리력이라는 실험적 사실과 모순되기에, 추가적인 통찰이 필요하다.표준 모형에 따르면 W 보손 및 Z 보손은 힉스 메커니즘을 통해 질량을 얻는다. 힉스 메커니즘에서 통합된 전자기 상호작용의 네 개의 게이지 보손(SU(2)×U(1) 대칭)은 힉스 장에 결합된다. 이 장은 상호 작용 전위의 형태 때문에 자발적 대칭성 깨짐을 겪는다. 그 결과, 우주는 0이 아닌 힉스 진공 기대값(VEV)으로 채워진다. 이 VEV는 세 개의 전자기 게이지 보손(W+, W-, Z)에 결합되어 질량을 부여하고, 나머지 게이지 보손(광자)은 질량이 없는 상태로 유지된다.
3. 표준 모형을 넘어서
표준 모형은 네 가지 기본 상호작용(강력, 약력, 전자기력, 중력)을 설명하지만, 이를 넘어선 추가적인 상호작용과 게이지 보손이 존재할 수 있다는 가설들이 있다.
대통일 이론은 쿼크와 렙톤 사이의 상호작용을 매개하는 X와 Y 보손을 제시한다. 이들은 바리온 수 보존 법칙을 위반하고 양성자 붕괴를 일으킨다고 예측되지만, 슈퍼-가미오칸데 중성미자 검출기 등에서의 실험에도 불구하고 아직 발견되지 않았다.[1][2] 조지-글래쇼 모형은 X 보손과 Y 보손을 추가적인 게이지 보손으로 예측한다.[2]
중력의 경우, 중력자라는 보손이 매개 입자 역할을 할 수 있다는 추측이 있지만, 실험적 증거나 이를 설명하는 이론은 아직 부족하다. 일반 상대성 이론에서 게이지 불변성은 미분 동형 사상 불변성으로 나타난다. 중력과 페르미온의 결합은 재규격화 문제를 일으키고, 중력 자체가 매우 약하며, 양자적 영역에서의 중력 관측이 어려워 실험적 검증이 어려운 상황이다. 끈 이론이 중력의 양자화를 시도하지만, 검증 가능성은 미지수이다.
W′ 보손 및 Z′ 보손은 표준 모형의 W 및 Z 보손과 유사한 가상의 새로운 게이지 보손이다. 이들은 고차원 모형, 테크니컬러 모형, 힉스리스(Higgsless) 모형 등에서 나타나지만, 표준 모형과 다른 예측을 하기 때문에 모형 구축에 제약이 따른다.
3. 1. 대통일 이론
대통일 이론에서 X와 Y 보손은 쿼크와 렙톤 사이의 상호작용을 매개하는 게이지 입자이다. 이들은 바리온 수 보존 법칙을 위반하고 양성자 붕괴를 일으킨다.이러한 입자는 대칭 깨짐 때문에 W 보손과 Z 보손보다 훨씬 무거울 것으로 예상되지만, 슈퍼-가미오칸데 중성미자 검출기 등에서 양성자 붕괴를 관측하는 실험을 진행했음에도 불구하고 아직까지 그 존재에 대한 증거는 발견되지 않았다.[1] [2]
조지-글래쇼 모형은 X 보손과 Y 보손을 추가적인 게이지 보손으로 예측한다.[2]
3. 2. 중력자
중력은 네 번째 기본 상호작용으로, 중력자라는 보손에 의해 매개될 수 있다. 하지만 실험적인 증거나 양자 중력을 설명하는 수학적인 이론이 부족하여, 현재는 추측만 이루어지는 상태이다. 일반 상대성 이론에서 게이지 불변성의 역할은 유사한 대칭성인 미분 동형 사상 불변성에 의해 수행된다. 중력장과 페르미온의 결합 상수는 질량 차원을 가지며, 재규격화에 의한 자외선 발산을 회피할 수 없다. 또한 다른 상호작용에 비해 중력은 매우 약하고, 실험적으로도 양자론적 영역에서의 중력의 정밀 관측이 어렵기 때문에, 양자론적 영역에서의 중력에 의한 거동을 실험적 측면에서 검증하는 것도 현재로서는 불가능하다. 이론상으로는 끈 이론이 중력의 양자화에 성공했지만, 끈 이론은 기하학적인 측면이 크고, 수치적인 검증이 되면 예측 능력이 부족하며, 검증 가능성조차 미지수라고 말할 수밖에 없다.3. 3. W'와 Z' 보손
W′ 보손 및 Z′ 보손은 가상적인 새로운 게이지 보손을 지칭한다. W′ 및 Z′ 보손은 가설상의 새로운 게이지 입자인데, 이름은 표준 모형의 W 및 Z 보손에서 유추했다. 특히 고차원 모형, 테크니컬러 모형, 힉스리스(Higgsless) 모형 등에서 나타난다. 표준 모형과 유사한 게이지 상호 작용을 일으키는 경우에는 전약력 대칭성을 깨는 산란, 붕괴 과정에서 표준 모형의 예측을 크게 벗어나는 경우가 있어 관측 결과와 일치하지 않게 된다. 이 때문에 이러한 모형을 구축하는 데에는 큰 제약이 따른다.4. 역사적 배경
상호작용을 매개하는 입자는 알베르트 아인슈타인의 고전 전자기학 가설(광양자 가설)에 나타났다. 이 가설에서 전자기장은 광자가 생성하고, 장이 입자에 힘을 가한다.[1]
유카와 히데키는 전자기 상호작용과 마찬가지로 다른 상호작용도 보스 입자가 매개한다고 했다.[2]
유카와 히데키가 제시한 것처럼 힘이 미치는 범위는 입자의 질량에 의해 결정된다. 그러나 게이지 대칭성으로부터 게이지장은 질량 항을 가질 수 없다. 이 문제는 피터 힉스가 난부 요이치로의 자발적 대칭성 깨짐 개념을 바탕으로 한 힉스 메커니즘을 통해 입자가 질량을 획득하는 메커니즘을 설명하면서 해결되었고, 힘의 장을 기술하는 게이지 이론의 기초가 확립되었다.[3]
참조
[1]
서적
Q is for quantum: an encyclopedia of particle physics
https://archive.org/[...]
Free Press
[2]
서적
The essential dictionary of science
Barnes & Noble Books
[3]
서적
Facts and mysteries in elementary particle physics
https://archive.org/[...]
World Scientific
[4]
웹사이트
CERN and the Higgs boson
https://home.cern/re[...]
CERN
2013-10
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