Gauge boson
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1. 개요
게이지 이론에서 기본 상호작용을 매개하는, 스핀이 정수고 보스-아인슈타인 통계를 따르는 입자다.[1] 파울리 배타 원리를 따르지 않으므로, 여러 입자가 동일한 상태에 겹쳐있을 수 있다. 게이지 이론의 도입 배경에 대해서는 힉스 입자 참조.
게이지 보손의 정체는 게이지 장의 들뜬(excitation) 상태이다. 즉, 잠잠하던 (즉 바닥 상태에 있던) 장이 살짝 들뜬 걸 입자라고 보는 것이다. 사실 바닥 상태에서 벗어난 상태를 양자역학적으로 기술하려다 보면 들뜬 상태가 자연스럽게 나타나게 되며, 어떻게 성분을 잘 쪼개 놓고 보면 그 성분이 입자처럼 행동하기에 이 들뜬 상태를 특별히 입자로 간주하는 것.[2] 자세한 건 양자장론 참조.
한편 양자장론 안에서 이론을 전개하다 보면 게이지 장을 통해 (예컨대 전기장을 통해) 두 입자가 상호작용하는 것을 게이지 보손을 주고받는 것으로 해석할 수 있다. 이걸 눈에 확 들어오는 꼴로 바꾼 게 바로 파인만 다이어그램. 문서를 보면 알겠지만 파인만 다이어그램 하나는 사실 어떤 수식이며 점, 선들 하나하나가 해당 수식의 부분들에 해당한다. 원래 그냥 별 의미 없어 보이던 수식 덩어리를 한 특출난 천재가 그림으로 바꿔 버린 것. 그런데 애초부터 각 선들은 입자들의 동역학적 진행(propagation)을 표현하고 있어서, 즉 에너지와 운동량의 흐름을 표현하고 있어서 파인만 다이어그램이 단순히 수식을 편하게 표현하는 것을 넘어서 입자의 반응 그 자체를 직관적으로 표현하는 도구 역할까지 수행할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 해석을 통해 파인만 다이어그램에서 나타나는 게이지 장의 선들이 게이지 보손의 교환으로 해석될 수 있는 것이다. 흔히 현대 물리학에서 4대 상호작용이 매개 입자의 교환으로 설명된다고 많이들 서술하는데, 바로 이걸 말하는 것이다.
게이지 보손에는 광자, [math( W/Z )] 보손, 글루온이 있으며, 각각 전자기 상호작용, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 매개한다. 이 중에서 광자와 [math( W/Z )] 보손은 독립적으로 존재할 수 있지만, 글루온은 강입자나 글루볼 안에서만 존재한다. 상호작용은 각 입자가 게이지 보손을 방출-흡수하는 과정으로, 겉으로 보면 서로 다른 입자가 직접적으로 힘을 주고받는 것처럼 보이게 된다. 중력을 매개하는 게이지 보손인 중력자의 존재가 예측되기는 하지만, 아직 실제로 발견되지는 않았다.
게이지 보손의 정체는 게이지 장의 들뜬(excitation) 상태이다. 즉, 잠잠하던 (즉 바닥 상태에 있던) 장이 살짝 들뜬 걸 입자라고 보는 것이다. 사실 바닥 상태에서 벗어난 상태를 양자역학적으로 기술하려다 보면 들뜬 상태가 자연스럽게 나타나게 되며, 어떻게 성분을 잘 쪼개 놓고 보면 그 성분이 입자처럼 행동하기에 이 들뜬 상태를 특별히 입자로 간주하는 것.[2] 자세한 건 양자장론 참조.
한편 양자장론 안에서 이론을 전개하다 보면 게이지 장을 통해 (예컨대 전기장을 통해) 두 입자가 상호작용하는 것을 게이지 보손을 주고받는 것으로 해석할 수 있다. 이걸 눈에 확 들어오는 꼴로 바꾼 게 바로 파인만 다이어그램. 문서를 보면 알겠지만 파인만 다이어그램 하나는 사실 어떤 수식이며 점, 선들 하나하나가 해당 수식의 부분들에 해당한다. 원래 그냥 별 의미 없어 보이던 수식 덩어리를 한 특출난 천재가 그림으로 바꿔 버린 것. 그런데 애초부터 각 선들은 입자들의 동역학적 진행(propagation)을 표현하고 있어서, 즉 에너지와 운동량의 흐름을 표현하고 있어서 파인만 다이어그램이 단순히 수식을 편하게 표현하는 것을 넘어서 입자의 반응 그 자체를 직관적으로 표현하는 도구 역할까지 수행할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 해석을 통해 파인만 다이어그램에서 나타나는 게이지 장의 선들이 게이지 보손의 교환으로 해석될 수 있는 것이다. 흔히 현대 물리학에서 4대 상호작용이 매개 입자의 교환으로 설명된다고 많이들 서술하는데, 바로 이걸 말하는 것이다.
게이지 보손에는 광자, [math( W/Z )] 보손, 글루온이 있으며, 각각 전자기 상호작용, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 매개한다. 이 중에서 광자와 [math( W/Z )] 보손은 독립적으로 존재할 수 있지만, 글루온은 강입자나 글루볼 안에서만 존재한다. 상호작용은 각 입자가 게이지 보손을 방출-흡수하는 과정으로, 겉으로 보면 서로 다른 입자가 직접적으로 힘을 주고받는 것처럼 보이게 된다. 중력을 매개하는 게이지 보손인 중력자의 존재가 예측되기는 하지만, 아직 실제로 발견되지는 않았다.
2. 종류
- W와 Z 보손 – 약력을 매개하는 게이지 보손으로, [math( W )]보손과 [math( Z )]보손으로 나뉜다. 각각 스핀이 1이며, [math( W^+ )], [math( W^- )] 각각은 ±1의 전하를, [math( Z )]보손은 0의 전하를 갖는다. 게이지 보손은 기본적으로 질량이 0인데, [math( W/Z )]보손은 골드스톤 보손이라는 입자를 삼켜 질량을 갖게된다. (이러한 설명을 힉스 메커니즘이라고 한다.) [math( W/Z )]보손의 대칭성이 깨졌기 때문에 일어나는 현상으로, 대칭성이 깨지지 않은 광자나 글루온은 질량을 갖지 않는다.
X17(?)– 만약 제5의 힘이 있다면 그 힘을 매개하는 입자이다. 제5의 힘이 있을 것으로 추정되는 실험이 있는데 2015년 베릴륨의 동위원소의 붕괴를 관측하던 중 붕괴할 때 나온 빛이 전자와 양전자의 각도가 140도인 현상을 발견했다[4] 이는 기존 물리법칙으로는 설명 할수 없는 현상이다. 그리고 최근에 헬륨의 동위원소가 붕괴되면서 나온 빛이 붕괴할때 전자와 양전자의 각도가 115도인 것을 발견하여 연구팀은 이 힘을 매개하는 입자를 X17로 이름지었다. 이 입자는 전자의 약 33배의 질량을 가지고 있고 수명은 약 10-14초가 될 것으로 예상된다.