보손과 우주를 구성하는 네 가지 힘

페르미온(fermion)과 보손(boson)

보손과 우주를 구성하는 네가지 힘에 대해 알아보도록 하겠습니다. 우주는 에너지와 물질 입자로 구성됩니다.  물질 입자를  페르미온(fermion)이라 하고 에너지를 전달하는 입자를 보손(boson)이라 합니다.  물질 입자인 페르미온은 스핀 양자수가 주로 -1/2과 +1/2처럼 반정수 값이며, 에너지를 전달하는 입자인 보손은 스핀 양자수가 0,1,2처럼 정수 값입니다. 

 

모든 소립자는 질량, 전하, 스핀으로 구별되는데,  페르미온과  보손은 스핀에 의해 구별됩니다. 입자물리학의 스핀은 거시 세계에 해당되는 물리 현상이 없는 소립자의 고유한 특성입니다. 거시 세계에서 스핀은 팽이처럼 돌아가는 물체의 물리량이지만 소립자의 스핀은 단 두 가지 값이 각운동량을  갖는,  회전과 무관한 양자 현상입니다. 전자의 스핀 양자수는  -1/2과 +1/2 두 가지  반정수 값만 허용합니다. 각각의 소립자에  해당하는  양자장이 존재하며, 양자장이 입자화되어 힘을 전달하는 보손 입자가 됩니다.

 

중성미자의 진동과 파울리배타율

물질을 구성하는입자인 페르미온은 중입자인 바리온(baryon)과 경입자인 렙톤(leoton)으로 구별되는데, 바리온은 3개의 쿼크로 구성됩니다. 렙톤에는 질량이 무거운 순서로 전자, 뮤온, 타우 경입자가 존재합니다. 중성미자도 페르미온이며, 중성미자에는 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자가 있습니다. 전자 중성미자는 뮤온 중성미자와 타우 중성미자로 전환될 수 있으며, 이 현상을 중성미자의 진동이라 합니다.

우주에 존재하는 모든 소립자는 페리미온과 보손으로 구분됩니다. 보손은 1개의 에너지 준위를 점유하는 입자의 개수에 제한이 없으며, 에너지를 전달하는 입자입니다.  보손에서 중력자는 중력을 전달하고 광자는 전자기력을 전달합니다. 약한 상호작용을  전달하는 게이지 보손이 W와 Z입자입니다.

페르미온은 파울리 배타율(Pauli exclusion priciple)이 적용되는 입자로, 물질을 구성하는 입자입니다. 페르미온은 중입자와 경입자로 나뉩니다. 파울리 배타율은 1개의 에너지 준위에 1개의 입자를 허용하는 원칙으로 전자처럼 스핀 양자수가   -1/2과 +1/2 만 존재합니다. 보손은 스핀 양자수가 0 혹은 1 입니다.

 

네 가지 힘의 분화

우주에는 중력, 강력, 약력, 전자기력, 이 네 가지 힘이 존재합니다. 빅뱅 후 10-43 초가 지나 중력이 독립된 힘으로 분화되었고, 10-34 초 즈음에 강력이 분화되었습니다. 약력은 중성자와 양성자 사이의 베타붕괴에 관여하는 힘으로, 원자핵 내부의 매우 좁은 범위에서 W+,  W- , Z0 의 세 가지 보손 입자의 의해 전달되는 힘입니다. 

W+ 와  W- 입자는 약 80기가전자볼트(GeV), Z0 입자는 91기가전자볼트, 양성자는 938메가전자볼트(MeV)의 에너지를 지니므로 이 세 가지 보손 입자는 양성자보다 약 100배나 무겁습니다.

 

아인슈타인의 E=mc2  공식에서 질량은 m=E/C2 이므로 W 입자의 질량은 80기가전자볼트 에너지를 광속도의 제곱(c2 ) 으로 나눈 값 80GeV/c2 이지만  c2 를 생략하기도 합니다.

 

입자의 생성과 소멸

힘을 전달하는 보손 입자는 원자핵 속의 매우 근접한 거리에서만 힘이 작용하며 거리가 멀어지면 힘이 급격히 약해집니다. 전자기장의 힘을 전달하는 보손 입자가 바로 광자입니다. 전자기장을 양자화 하면 광자가 출현합니다. 소립자 생성을 장(field)의 양자화  과정으로 설명하는 이론을 양자장 이론(quantun field theory)이라 합니다. 양자장 이론에서 입자의 생성과 소멸을 계산하는 연산자를  생성 연산자, 소멸 연산자라 합니다.

 

생성과 소멸의 연산자인 미분 연산자를 전자기장에 작용시키면 광자가 생성되거나 소멸됩니다. 전기와 자석의 힘은 전자기장이 양자화해 생성된 현상입니다. 공자는 정지 질량이 0 이므로 무한대의 거리에도 힘을 전달할 수 있습니다. 전자기장의 전기장이 직각 자표계의 한 평면에서 진동한 다면 다른 평면에서는 자기장이 진동하는데, 이 두 평면에 수직 방향으로 전달되는 에너지 덩어리가 바로 광자입니다.

 

전기장과 자기장은 진동하는 파동이므로 반사되는 경계면이 없다면 무한히 먼  공간으로 퍼져 나갑니다. 이러한 전기장과 자기장을 합쳐서 전자기장이라 하는데, 빛은 진동하는 전자기장이고 전자기장이 양자화 되어 생성되는 입자가 바로 광자입니다. 그래서 진공에서 빛의 속도는 c=1/(진공 유전율 × 진공 투자율)1/2 인데, 이때  유전율은 전기, 투자율은 자기에 관한 물리 값입니다.  빛에 속도 공식 속에서 빛이 자기와 전기 현상의 근본임이 드러납니다.

 

입자 물리학의 표준모델

전류와 자석의 모든 물리적 특성은 광자의 특성과 연결됩니다. 우주의 복사 에너지가 100기가 전자볼트 이상 되는 빅뱅 후 10-6 초보다 더 이른 초기 우주에서는 고에너지 상태에서 약력을 전달하는 W, Z입자의 질량이 사라집니다.  우주 초기의 고에너지 상태에서는 광자, W, Z입자가 모두 질량이 0 이되어 대칭이 회복됩니다. 이때 전자기력을 전달하는 광자와 약력을 전달하는 W, Z입자가 구별되지 않기 때문에 약력과 전자기력이 통합됩니다. 약력과 전자기력을 통합하는 이론을 입자물리학의 표준모델이라 합니다.

 

우주에  존재하는 네 가지 힘도 모두 보손이라는 입자가 전달하는데 , 그중 중력은 중력자, 강력은 글루온 보손, 약력은  W 보손과 Z보손, 전자기력은 광자가 전달합니다.

 

다음 포스팅에서는 ' 태양 에너지의 기원'에 대해 알아보는 시간을 갖겠습니다.