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중력자

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목차

1. 개요

중력자는 중력 상호작용을 매개하는 가설적인 기본 입자이다. 아직 발견되지 않았으며, 다른 기본 힘의 매개 입자들(광자, 글루온, W 및 Z 보손)과 유사하게, 일반 상대성 이론에서 시공간을 정의하는 역할을 한다. 중력자는 무질량 입자로 여겨지지만 에너지를 운반하며, 중력자의 질량이 있다면 중력파 분석을 통해 질량 상한을 제시할 수 있다. 단일 중력자의 직접적인 검출은 어렵지만, 중력파 관측을 통해 중력자의 성질에 대한 정보를 얻을 수 있다. 표준 모형에 중력자를 추가하려는 시도는 플랑크 스케일에서 이론적 어려움에 직면하며, 끈 이론이 그 대안으로 제시된다. 초대칭성 이론에서는 그라비티노가 중력자의 초대칭 파트너로 예측된다.

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중력자
기본 정보
이름중력자
로마자 표기Jungnyeokja
영어 이름Graviton
일반 정보
분류기본 입자
그룹게이지 입자
상호작용중력 상호작용
반입자(자신)
상태가설 입자
이론화1930년대
발견미발견
기호G
질량0
질량 상한<
평균 수명안정적
전하0
색 전하없음
스핀2 ħ
통계보스-아인슈타인 통계
상호 작용중력
추가 정보
관련 이론양자 중력

2. 이론적 배경

중력 상호작용은 아직 발견되지 않은 기본 입자인 '중력자'에 의해 매개된다는 가설이 있다. 자연의 다른 세 가지 알려진 힘은 기본 입자에 의해 매개된다. 즉, 전자기력은 광자에 의해, 강한 상호작용은 글루온에 의해, 약한 상호작용은 W 및 Z 보손에 의해 매개된다. 이 세 가지 힘은 모두 표준 모형에 의해 정확하게 설명되는 것으로 보인다. 고전적 극한에서, 중력자에 대한 성공적인 이론은 일반 상대성 이론으로 축소될 것이며, 일반 상대성 이론 자체는 약한 장 극한에서 뉴턴의 만유인력의 법칙으로 축소된다.[6][7][8]

2. 1. 표준 모형과 중력자

자연의 다른 세 가지 알려진 힘은 기본 입자에 의해 매개된다. 즉, 전자기력은 광자에 의해, 강한 상호작용은 글루온에 의해, 약한 상호작용은 W 및 Z 보손에 의해 매개된다. 이 세 가지 힘은 모두 표준 모형에 의해 정확하게 설명되는 것으로 보인다. 고전적 극한에서, 중력자에 대한 성공적인 이론은 일반 상대성 이론으로 축소될 것이며, 일반 상대성 이론 자체는 약한 장 극한에서 뉴턴의 만유인력의 법칙으로 축소된다.[6][7][8]

2. 2. 중력자와 재규격화

파인만 다이어그램의 고전 이론과 일루프 다이어그램과 같은 반고전적 보정은 중력자 상호작용을 설명할 때 정상적으로 작동한다. 그러나 둘 이상의 루프를 포함하는 파인만 다이어그램은 자외선 발산을 야기한다.[13] 양자화된 일반 상대성 이론은 양자 전기역학이나 양-밀스 이론과 같은 모델과 달리 섭동적으로 재규격화될 수 없기 때문에 이러한 무한한 결과는 제거할 수 없다. 따라서 물리학자들이 입자의 중력자 방출 또는 흡수 확률을 계산하는 데 사용하는 섭동 방법으로부터는 계산할 수 없는 답이 나오고, 이론은 예측력을 잃는다. 이러한 문제점과 상호 보완적인 근사 방법은 플랑크 스케일 근처의 거동을 설명하기 위해서는 양자화된 일반 상대성 이론보다 더 통합적인 이론이 필요함을 보여준다.

3. 역사

알베르트 아인슈타인은 1916년 일반 상대성 이론을 발표한 다음 해에 양자화된 중력파에 대해 논의했다.[9] 1934년 소련 물리학자 드미트리 블로힌체프와 표도르 갈페린이 "중력자(graviton)"라는 용어를 만들었다.[2][9] 폴 디랙은 1959년 여러 강의에서 이 용어를 다시 사용하며 중력장의 에너지는 양자로 존재해야 한다고 언급했다.[10][11] 피에르시몽 라플라스는 입자에 의한 중력 상호작용 매개를 예상했다.[12] 아이작 뉴턴이 광자를 예상한 것과 마찬가지로, 라플라스가 예상한 "중력자"는 진공에서의 빛의 속도 c보다 빠른 속도를 가지며, 라플라스 생존 당시에는 아직 존재하지 않았던 양자역학이나 특수 상대성 이론과는 관련이 없었다.

4. 다른 힘과의 비교

다른 힘들의 매개 입자들(예: 광자, 글루온, W 및 Z 보손)과 마찬가지로, 중력자는 사건이 발생하는 시공간을 정의하는 데 있어 일반 상대성 이론에서 역할을 한다. 일부 설명에 따르면, 에너지는 시공간 자체의 "형태"를 변형시키며, 중력은 이러한 형태의 결과이다. 이러한 생각은 처음에는 입자들 사이에 작용하는 힘이라는 개념과 일치하기 어려워 보일 수 있다.[14] 이론의 미분 동형 사상 불변성으로 인해 특정 시공간 배경을 "진정한" 시공간 배경으로 구별할 수 없기 때문에 일반 상대성 이론은 배경 독립적이라고 한다. 반대로, 표준 모형은 배경 독립적이지 않으며, 민코프스키 시공간이 고정된 배경 시공간으로서 특별한 지위를 누리고 있다.[15] 이러한 차이점을 조정하기 위해서는 양자 중력 이론이 필요하다.[16] 이 이론이 배경 독립적이어야 하는지 여부는 여전히 열린 질문이다. 이 질문에 대한 답은 우주의 운명에 있어 중력이 어떤 특정한 역할을 하는지에 대한 이해를 결정할 것이다.[17]

5. 에너지와 파장

중력자는 무질량으로 여겨지지만, 다른 모든 양자 입자와 마찬가지로 에너지를 운반한다. 광자 에너지와 글루온 에너지도 무질량 입자가 운반한다.

다른 한편, 중력자가 질량을 갖는다면, 중력파 분석을 통해 중력자 질량에 대한 새로운 상한선이 제시되었다. 중력자의 콤프턴 파장은 최소 1.6m, 즉 약 1.6광년이며, 이는 중력자 질량이 을 넘지 않음을 의미한다.[18] 파장과 질량-에너지 간의 이러한 관계는 플랑크-아인슈타인 관계를 사용하여 계산되는데, 이는 전자기 파장과 광자 에너지를 연결하는 것과 같은 공식이다.

6. 실험적 관측

단일 중력자의 명확한 검출은 어떤 기본 법칙에도 위배되지 않지만, 물리적으로 타당한 검출기로는 불가능하다고 여겨져 왔다.[19] 그 이유는 중력자와 물질의 상호작용에 대한 산란 단면적이 극도로 낮기 때문이다.[19] 예를 들어, 목성 질량에 효율 100%인 검출기를 중성자별의 근접 궤도에 배치하더라도, 가장 유리한 조건에서도 10년에 하나의 중력자만 관측될 것으로 예상된다. 필요한 중성미자 차폐의 크기가 블랙홀로의 붕괴를 초래하기 때문에, 이러한 사건들을 중성미자 배경과 구별하는 것은 불가능할 것이다.[19]

라이고(LIGO)와 버고(Virgo) 공동 연구팀의 관측은 중력파를 직접 검출했다.[22][23][24] 이러한 실험으로는 단일 중력자를 검출할 수 없지만, 중력자의 특정 성질에 대한 정보를 제공할 수 있다.[26] 예를 들어, 중력파가 진공에서의 ''c''(광속)보다 느리게 전파되는 것으로 관측된다면, 그것은 중력자가 질량을 가진다는 것을 의미한다.[27] 중력파 관측은 중력자 질량에 대한 상한을 로 제한한다.[28] 카시니(Cassini)와 메신저호(MESSENGER)와 같은 우주 임무를 통한 태양계 행성 궤적 측정은 의 비슷한 상한을 제공한다.[29]

은하 회전 문제와 수정 뉴턴 역학에 대한 천문학적 관측은 중력자가 0이 아닌 질량을 가질 수 있음을 시사할 수 있다.[31][32]

7. 어려움과 미해결 문제

표준 모형이나 다른 양자장 이론에 중력자를 추가하려는 시도는 플랑크 스케일에 가깝거나 그 이상의 에너지에서 심각한 이론적 어려움에 직면한다. 이는 양자 효과로 인해 무한대가 발생하기 때문이다. 기술적으로 중력은 재규격화될 수 없다. 고전적인 일반 상대성이론과 양자역학은 그러한 에너지에서 양립할 수 없는 것처럼 보이기 때문에, 이론적 관점에서 이러한 상황은 유지될 수 없다. 하나의 가능한 해결책은 입자를 끈으로 대체하는 것이다. 끈 이론은 낮은 에너지에서 고전적인 일반 상대성이론과 장 이론으로 귀결되지만 완전한 양자역학적이며 중력자를 포함하고 수학적으로 일관성이 있는 것으로 여겨지는 의미에서 중력의 양자 이론이다.[33]

8. 초대칭과 그라비티노

초대칭성이 있다면, 중력자에 대응하는 초대칭 파트너로서의 초대칭 입자는 스핀 3/2의 페르미온인 '''그라비티노'''(gravitino|중력미자영어)로 여겨지지만, 2022년까지 발견되지 않았다.

참조

[1] arXiv Notes for a brief history of quantum gravity 2001
[2] journal Гипотеза нейтрино и закон сохранения энергии https://books.google[...] 1934
[3] 문서 G is used to avoid confusion with gluons (symbol g)
[4] journal Review of Particle Physics: Gauge and Higgs bosons https://pdg.lbl.gov/[...]
[5] book Gravitation W. H. Freeman 1973
[6] book Feynman Lectures on Gravitation https://archive.org/[...] Addison-Wesley 1995
[7] book Quantum Field Theory in a Nutshell Princeton University Press 2003
[8] book Warped Passages: Unraveling the Universe's Hidden Dimensions https://archive.org/[...] Ecco Press 2005
[9] book Black Holes, Gravitational Radiation and the Universe 1999
[10] book The Strangest Man : The Hidden Life of Paul Dirac, Quantum Genius Faber and Faber
[11] journal A short biography of Paul A. M. Dirac and historical development of Dirac delta function http://www.tandfonli[...] 2013
[12] book On Gravity: A Brief Tour of a Weighty Subject https://press.prince[...] Princeton University Press 2018-04-24
[13] journal Two-loop renormalization of quantum gravity simplified https://www.slac.sta[...] 2017-02-22
[14] 문서 See the other Wikipedia articles on general relativity, gravitational field, gravitational wave, etc.
[15] journal Background independence in a nutshell: The dynamics of a tetrahedron 2005
[16] arXiv Quantum Background Independence In String Theory 1993
[17] arXiv The case for background independence 2005
[18] journal GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2 2017-06-01
[19] journal Can Gravitons be Detected? 2006
[20] journal Detecting single gravitons with quantum sensing 2024-08-22
[21] journal Graviton detection and the quantization of gravity https://journals.aps[...] 2024-02-05
[22] journal Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger https://link.aps.org[...] 2016-02-11
[23] journal Einstein's gravitational waves found at last 2016-02-11
[24] web Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction https://www.nsf.gov/[...] 2016-02-11
[25] journal New sources of gravitational waves during inflation
[26] journal Is a Graviton Detectable? 2013-10-08
[27] journal Bounding the mass of the graviton using gravitational-wave observations of inspiralling compact binaries https://cds.cern.ch/[...] 1998
[28] journal Tests of General Relativity with Binary Black Holes from the second LIGO-Virgo Gravitational-Wave Transient Catalog 2021-06-15
[29] journal Constraint on the Yukawa suppression of the Newtonian potential from the planetary ephemeris INPOP19a 2020-07-15
[30] journal Testing theories of gravity with planetary ephemerides 2024-01-29
[31] journal A Simplified Treatment of Gravitational Interaction on Galactic Scales
[32] journal Long range effects in gravity theories with Vainshtein screening
[33] news Don't Pull the String Yet on Superstring Theory https://query.nytime[...] 2010-03-26
[34] 문서 Gは、グルーオンとの混同を避けるために使用される (グルーオンの記号はg)。
[35] journal Review of Particle Physics: Gauge and Higgs bosons https://pdg.lbl.gov/[...]
[36] Kotobank 2022-01-08
[37] Kotobank 2022-01-08
[38] 학술지 小松英一郎が語る 絞られてきたモデル 日経サイエンス社
[39] Kotobank 2022-01-08
[40] Kotobank 2022-01-08
[41] Kotobank 2022-01-08


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