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게이지 보존


Contents

1. 개요
2. 종류
2.1. 광자
2.1.1. 이과생의 설명
2.2. W/Z보존
2.3. 글루온
2.4. 중력자


gauge boson

1. 개요

게이지 이론에서 기본 상호작용을 매개하는, 스핀이 정수고 보즈-아인슈타인 통계를 따르는 입자다. 파울리의 배타원리를 따르지 않으므로, 여러 입자가 동일한 상태에 겹쳐있을 수 있다. 게이지 이론의 도입 배경에 대해서는 힉스 입자 참조.

게이지 보존에는 광자, W/Z보존, 글루온이 있으며, 각각 전자기 상호작용, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 매개한다. 이 중에서 광자와 W/Z보존은 독립적으로 존재할 수 있지만, 글루온은 입자나 글루볼 안에서만 존재한다. 상호작용은 각 입자가 게이지 보존을 방출-흡수하는 과정으로, 겉으로 보면 서로 다른 입자가 직접적으로 힘을 주고받는 것처럼 보이게 된다. 중력을 매개하는 게이지 보존인 중력자의 존재가 예측되기는 하지만, 아직 실제로 발견되지는 않았다.

2. 종류

2.1. 광자

光子 狂者가 아니다.
영어로는 photon

(전자기)은 입자성과 파동성을 가진다. 이 중 빛의 입자성을 가리키는 빛의 또다른 이름이 바로 광자다. 빛의 파동성을 가리키는 이름은 전자기파다.

문과생을 위해 쉽게 설명하자면, 빛이란건 전자기력이 작용하는 역장(=전자기장)을 쉽게 부르는 이름이다. 근데 이 전자기장은 과학자들이 관측하기에 따라 입자처럼 보일때도 있고 파동처럼 보일때도 있다. 광자란 이 빛의 입자스러움을 가리키는 명칭.

2.1.1. 이과생의 설명

일단 빛이기 때문에 당연히 광속으로 운동한다. 광자의 에너지는 E=hv[1]이다. 여기에서 h는 플랑크 상수이고 v는 동수이다. 또한, 광자는 운동량 p=hv/c를 갖는다.

전자기 상호작용을 매개하는 게이지 보존. 질량과 전하가 없고, 스핀이 1이다. 광자에 질량이 없다는 말에 "에너지는 곧 질량이므로 에너지를 가진 광자도 질량을 갖게 된다."고 답하는 경우가 많은데, 광자에 질량이 없다고 말할 때의 질량은 정지 질량이므로, 보통 상황에서는 굳이 그렇게 세세하게 따질 필요가 없다.

광자와 같이 질량이 없는 입자를 룩손이라고 하며, 룩손은 무조건 광속으로 움직인다. 룩손 이외의 입자는 광속보다 느리거나 빠를지언정, 그리고 광속에 한없이 가까워질 수는 있을지언정, 결코 광속으로 움직이지는 못한다. 질량이 없으므로 중력의 직접적인 영향을 받지 않기에, 광자의 이동방향의 휘어짐, 즉 빛의 휘어짐은 중력에 의한 시공간 왜곡의 강력한 증거가 된다.

아이작 뉴턴은 빛이 입자로 이루어져있다고 주장하였으나, 그러한 설명으로는 빛의 파동적인 성질(대표적으로 간섭현상)을 설명하지 못하므로, 초기에는 뉴턴의 권위에 의해 빛의 입자설과 파동설이 대립하다가 19세기 초 토마스 영의 이중슬릿실험에 의해 빛이 파동임을 보여 주고, 제임스 맥스웰이 빛이 전자기파임을 밝혀내고 전자기파의 속도가 빛의 속도와 근사함을 증명하여 파동설이 정설로 인정되기까지 했다.
그 후 1859년말에서 1860년초 키르히호프(G. Kirchhoff, 1824-1887)에 의해 '흑체복사'에 대한 이론이 등장하였다. 한 물체가 뜨거워지면 열을 내게 되는데, 이를 복사(radiation)라고 부르며, 키르히호프는 '복사는 물질이나 빈구멍(Cavity)의 모양, 크기와는 상관이 없고 오직 온도와 빛의 파장에만 관계된다는 것이다'는 것을 밝혀냈다. 즉, 같은 온도로 달구어진 물체는 어떤 물질이든 방출하는 빛의 분포가 똑같다는 것이다. 특히 표면에 부딪히는 모든 복사를 흡수하는 경우 이런 물체를 흑체(black body)라고 부르는데, 이런 특징은 파동성과 아울러 입자성을 지니고 있을 가능성을 보여준다. 19세기말 물리학자들은 고체에서 방출되는 복사를 조사하여 여러 가지 파장 또는 진동수를 가진 빛으로 구성되어 있음을 알게 되었고, 표면의 온도와 빛의 파장이 어떠한 관계에 있는가를 연구하면서 아인슈타인에 의해 양자화에 대한 논의가 시작되었다.
20세기 초에 고전적인 는 무한히 빛을 방출해야 한다는 문제가 발견되었고, 이를 해결하기 위해 막스 플랑크는 파동의 에너지가 양자(量子)화된 것이 빛이라는 가설을 도입하였다.[2]

알베르트 아인슈타인은 1905년에 빛이 입자로 구성되었을 경우 광전효과를 설명할 수 있다는 사실을 보였고, 이후 양자역학의 발전과 양자전기역학의 도입으로 빛의 양자화를 이론적으로 설명할 수 있게 되었다.

2.2. W/Z보존

약한 상호작용을 매개하는 게이지 보존으로, W보존과 Z보존으로 나뉜다. 각각 스핀이 1이며, W보존(W+와 W-보존이 있다.)은 ±1의 전하를, Z보존은 0의 전하를 갖는다.

게이지 보존은 기본적으로 질량이 0인데, W/Z보존은 골드스톤 보존이라는 입자를 삼켜 질량을 갖게된다. W/Z보존의 대칭성이 깨졌기 때문에 일어나는 현상으로, 대칭성이 깨지지 않은 광자나 글루온은 질량을 갖지 않는다.

2.3. 글루온

강한 상호작용을 매개하는 게이지 보존. 이름처럼 입자를 구성하는 쿼크를 풀로 붙인듯이 묶어놓는 역할을 한다. 질량, 전하, 스핀은 광자와 동일하다.

입자들이 +와 -, 그리고 중성이라는 전하를 갖는 것과 비슷하게, 글루온은 색전하를 갖는다. 색전하의 색은 r, g, b의 세가지로, 각각 반색을 갖는다. 글루온의 색전하, 그러니까 색은 각 색과 반색의 조합으로 이루어지는데, 흔히
  r g b
-r r(-r) g(-r) b(-r)
-g r(-g) g(-g) b(-g)
-b r(-b) g(-b) b(-b)
위와 같이 아홉가지 색을 갖는다고 생각하기 쉽다. 하지만 실제로는 여덟가지의 색을 갖는다. 강한 상호작용을 하는 두 입자 사이에 r색과 g색이 교환되었을 경우, 이를 매개한 글루온이 r(-g)거나 g(-r)일 확률은 반반으로 같기 때문에, 글루온의 색은 (r(-g) + g(-r))/√2와 같이 표시되기 때문이다. 그리고 r(-r)처럼 색과 반색이 같은 세가지 글루온이 결합하는 방식은 두가지만 존재한다. 고로 글루온의 색은 다음과 같다.
(r(-g) + g(-r))/√2 (r(-b) + b(-r))/√2 (b(-g) + g(-b))/√2
-i(r(-g) - g(-r))/√2 -i(r(-b) - b(-r))/√2 -i(b(-g) - g(-b))/√2
(r(-r) - b(-b)/√2 (r(-r) + b(-b) - 2g(-g))/√6  
여기에 더해서 무색이라는, 강한 상호작용을 하는 안정된 입자는 각 색이 상쇄된 것으로 취급되는 경우가 있는데, 이 경우 (r(-r) + b(-b) + g(-g))/√3으로 나타난다. 실제로 무색의 글루온은 존재하지 않는다.

2.4. 중력자

존재여부가 확인되지 않은, 이론상으로 추측되는 입자로, 이름대로 중력을 매개한다. 초끈이론에서는 자연스럽게 스핀이 2인 입자가 존재하게 되는데, 이를 중력자라 여기고 있다. 이 입자의 존재를 예견한다는 점에서(이것 때문만은 아니지만), 초끈이론은 네가지 기본 상호작용을 아우르는 모든 것의 이론의 후보로 지목된다. 중력의 작용거리가 무한하기 때문에, 중력자는 질량이 없고 광속으로 움직여야 한다. 또한 전하나 색깔을 띠지도 않아야한다.
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  • [1] 처음 배울 때 하뉴라는 발음을 듣고 당황하기 쉬운데, h는 막스플랑크가 독일인이라 독일식으로 '하'라 읽고, v는 로마자가 아니라 그리스 문자라 '뉴'라고 읽는다. 절대 이 하뉴가 아니다!
  • [2] 보존이라는 개념 자체도 여기서 나왔다. 플랑크는 흑체 복사를 계산하면서 조화진동자를 이용했는데, 쇼텐드로 나트 보슈는 단순히 광자라는 입자가 흑체 내의 에너지 준위를 채워 간다는 개념에서 출발해 통계역학적으로 풀어 봤던 것. 두 결과는 서로 일치했으며 이걸 보고 느끼는 바가 있던 아인슈타인이 광자가 아닌 모든 입자에 이 개념을 적용해 보았고, 그런 입자를 이후에 보존이라 이름붙이게 된다. 보즈-아인슈타인이라고 꼭 아인슈타인이 따라 붙는 건 이 때문.
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last modified 2015-04-06 17:31:45
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