색가둠

2. 기원

비가환 게이지 이론에서 색가둠에 대한 분석적인 증명은 아직 없다. 이 현상은 QCD의 힘 전달 글루온이 양자 전기역학(QED)의 광자와 달리 색 전하를 가지고 있다는 점에 주목하여 질적으로 이해할 수 있다. 전하를 띤 입자 사이의 전기장은 입자가 분리됨에 따라 급격히 감소하는 반면, 색 전하 쌍 사이의 글루온장은 좁은 플럭스 튜브(또는 끈)을 형성한다. 글루온장의 이러한 동작으로 인해 입자 간의 강한 힘은 입자 간의 거리에 관계없이 일정하다.^[4][5]

따라서 두 색 전하가 분리되면 튜브를 더 확장하는 것보다 새로운 쿼크-반쿼크 쌍 생성이 나타나는 것이 에너지적으로 유리해진다. 이로 인해 입자 가속기에서 쿼크가 생성될 때 과학자들은 검출기에서 개별 쿼크를 보는 대신 많은 색 중성 입자(메손 및 바리온)가 함께 뭉쳐진 "제트"를 보게 된다. 이 과정은 ''하드론화'', ''분열'' 또는 ''끈 끊기''라고 한다.

가둠 위상은 일반적으로 한 지점에서 생성되어 다른 지점에서 소멸된 쿼크-반쿼크 쌍에 의해 시공간에서 추적된 경로인 윌슨 루프의 작용의 동작에 의해 정의된다. 가둠되지 않은 이론에서 이러한 루프의 작용은 둘레에 비례한다. 그러나 가둠 이론에서는 루프의 작용이 면적에 비례한다. 면적은 쿼크-반쿼크 쌍의 거리에 비례하므로 자유 쿼크는 억제된다. 이러한 그림에서 메손은 허용되는데, 이는 반대 방향을 가진 다른 루프를 포함하는 루프는 두 루프 사이에 작은 면적만 있기 때문이다. 0이 아닌 온도에서 가둠에 대한 순서 연산자는 폴리야코프 루프라고 하는 윌슨 루프의 열적 버전이다.

쿼크는 "색"(컬러)이라고 불리는 자유도를 가지며, 강력한 힘의 작용에 의해 전체적으로 "백색/무색"이 되는 색의 조합, 즉 "빨강·파랑·녹색" 또는 "반빨강·반파랑·반녹색"과 같은 3개의 쿼크 조합(바리온), 혹은 "빨강·반빨강", "파랑·반파랑", "녹색·반녹색"과 같은 2개의 쿼크 조합(메손)의 복합 입자로서만 관측된다고 여겨진다.^[14] 덧붙여, "색"(컬러)은 빛의 삼원색을 섞으면 백색으로 보인다는 현상과의 유사성에서 명명된 것이며, 실제 쿼크에 광학적인 의미에서의 색이 있는 것은 아니다.

양자색역학의 귀결로서, 강한 힘을 매개하는 게이지 입자인 글루온이 또한 색전하를 가지기 때문에 "쿼크 가둠"이 일어난다. 쿨롱력에 의해 결합된 2개의 입자의 경우, 멀어짐에 따라 상호작용이 감소하므로, 예를 들어 원자핵의 속박에서 벗어난 전자는 관측된다. 이에 반해, 강한 힘의 경우, 두 개의 쿼크가 멀어짐에 따라, 글루온장은 가느다란 색가둠 튜브(또는 스트링)을 형성하고, 그 때문에 쿼크가 받는 힘은 거리에 관계없이 일정한 값을 유지한다. 두 개의 쿼크를 떼어놓기 위해 공급되는 에너지 즉, 힘과 변위의 곱은 두 쿼크의 거리에 비례하여 증가하며, 결국, 쿼크 쌍 사이의 진공에서 새롭게 쿼크와 반쿼크의 쌍을 생성한다.

가속기에 의한 콜라이더 실험에서는 쿼크가 큰 에너지를 얻어 서로 떨어지는 상태가 발생한다. 그 결과, 이러한 쿼크들 사이의 진공의 몇몇 지점에서, 여러 쿼크-반쿼크 쌍의 생성이 일어난다. 이처럼, 쿼크가 가속기에서 만들어질 때, 검출기 안에서는, 단독의 쿼크가 관찰되는 대신에, 많은 "백색" 입자(메손이나 바리온)가 클러스터 형태가 된 "제트"가 관측되게 된다. 이 과정은 Hadronization|하드로나이제이션^영어, 단편화, 또는 스트링 붕괴라고 불리며, 입자물리학에서 현재 알려진 가장 작은 프로세스 중 하나이다.