약한 상호작용

3. 특성

약한 상호작용은 쿼크와 렙톤의 맛깔을 바꾸는 유일한 상호작용이며, 패리티(P) 대칭성과 전하-패리티(CP) 대칭성을 위반한다. 이러한 특성 변환은 W 및 Z 보손이라는 무거운 입자를 통해 매개된다.^[3] 약한 상호작용은 유효 거리가 매우 짧고(약 0.01fm~0.1fm),^[14][13] 결합 상수가 작아 다른 상호작용에 비해 "약하다".^[13][14]

약한 상호작용은 다음과 같은 독특한 특징을 가진다.

• 쿼크와 렙톤의 플레이버(맛깔)를 바꿀 수 있다.
• 패리티 대칭(P) 및 전하-패리티 대칭(CP)을 위반한다.
• 힘 매개 입자인 W 및 Z 보손이 큰 질량을 가진다.

3. 1. 플레이버 변환

3. 2. 대칭성 위반

3. 3. 매개 입자 (W 및 Z 보손)

3. 4. 약한 아이소스핀과 약한 초전하

전약 이론의 발전을 위해 다음과 같이 정의된 또 다른 성질인 약한 초전하가 고안되었다.

:$Y\_\backslash text\{W\}\; =\; 2(Q\; -\; T\_3)$

여기서 $Y\_\backslash text\{W\}$는 전하 $Q$ (기본 전하 단위)와 약한 아이소스핀 $T\_3$를 가진 입자의 약한 초전하이다. 약한 초전하는 전약 게이지 군의 U(1) 성분의 생성자이다. 일부 입자는 약한 아이소스핀이 0이지만, 알려진 모든 스핀 $\backslash frac\{1\}\{2\}$ 입자는 0이 아닌 약한 초전하를 가진다.

4. 상호작용의 종류

약한 상호작용에는 전하를 띤 흐름 상호작용과 중성 흐름 상호작용 두 가지 유형이 있다. 전자는 W 보손을 교환하여 쿼크나 렙톤의 전하를 변화시키는 상호작용으로, 베타 붕괴가 대표적인 예시이다. 후자는 중성 Z 보손을 방출하거나 흡수하는 상호작용이다.

4. 1. 전하를 띤 흐름 상호작용

• 쿼크와 렙톤의 플레이버를 바꿀 수 있다. (예: 한 종류의 쿼크를 다른 종류의 쿼크로 바꿈)^[11]
• 패리티 대칭(P) 및 전하-패리티 대칭(CP)을 위반한다.
• 힘 매개 입자(W 보손)가 상당한 질량을 가진다. (표준 모형의 힉스 메커니즘으로 설명)^[12]

4. 2. 중성 흐름 상호작용

5. 전약력 이론 (와인버그-살람 이론)

엔리코 페르미가 베타 붕괴를 설명하기 위해 '약한 상호작용'을 도입한 이후, 1968년 셸던 글래쇼, 압두스 살람, 스티븐 와인버그는 약한 상호작용과 양자전기역학을 통합한 전약력 이론(살람-글래쇼 이론 또는 와인버그-살람 이론)을 개발하였다.^[51] 이 이론은 광자 외에 전자기력과 약한 상호작용을 매개하는 새로운 입자 (W⁺, W^–, Z 보손)들을 예측하였고, 이 입자들은 이후 발견되어 이론이 실험적으로 입증되었다.

전약력 이론에서 약한 상호작용의 게이지 보손은 '''SU'''(2) × '''U'''(1) 게이지 대칭과 관련된다. 힉스 메커니즘에 따르면, 높은 에너지에서 힉스 장은 네 가지 성분을 가지며, 상호작용은 네 가지 질량이 없는 게이지 보손에 의해 매개된다. 그러나 낮은 에너지에서는 힉스 장 중 하나가 진공 기대값을 얻어 게이지 대칭성이 자발적으로 깨져 전자기 '''U'''(1) 대칭으로 떨어진다. 이 대칭 붕괴는 세 개의 질량 없는 골드스톤 보손을 생성하지만, 이들은 힉스 메커니즘을 통해 광자와 같은 세 개의 장과 통합되어 질량을 얻는다. 이 세 장이 W⁺, W^–, Z 보손이 되어 약작용에 관여하고, 질량 없는 네 번째 게이지 장은 전자기장의 광자가 된다.^[52]

거대 강입자 충돌기의 CMS와 ATLAS 실험팀은 2012년 7월 4일 125~ GeV/c² 질량의 이전에 알려지지 않은 보손을 발견했다고 발표했으며, 2013년 3월 14일 힉스 보손의 존재를 잠정적으로 확인했다.^[53]

6. 한국과 약한 상호작용 연구

한국은 중성미자 실험을 통해 약한 상호작용 연구에 기여하고 있다. 특히 원자로 중성미자 진동 실험(RENO)는 중성미자 진동변환상수 θ13 값을 측정하는 데 성공했다.^[14] 이 실험 결과는 중성미자 질량 순서와 CP 위반 연구에 중요한 단서를 제공한다. 한국 연구진은 차세대 중성미자 실험에도 참여하여 약한 상호작용의 비밀을 밝히는 데 기여할 것으로 기대된다.

6. 1. 한국의 중성미자 실험

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