게이지 보손

1. 개요[편집]

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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 리처드 파인만이 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[편집]

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• 글루온 – 강력을 매개하는 게이지 보손이다.
• 광자 – 전자기력을 매개하는 게이지 보손이다.
• 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.
• 중력자 – 존재여부가 확인되지 않은, 이론상으로만 추측되는 게이지 보손으로, 중력을 매개한다.
• 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[3]
  원랜 180도가 나오는 게 정상이다.
  이는 기존 물리법칙으로는 설명할 수 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.