기본 상호작용

이 문서에는 일반 참조 목록이 포함되어 있지만 해당 인라인 인용이 충분하지 않습니다. 좀 더 정확한 인용을 소개하여 이 기사를 개선하는 데 도움을 주시기 바랍니다. (2022년 11월) (본 템플릿 메시지 제거 방법 및 시기에 대해 알아봅니다)

물리학에서 기본적인 상호작용 또는 기본적인 힘은 더 기본적인 상호작용으로 환원될 수 없는 것처럼 보이는 상호작용입니다. 존재하는 것으로 알려진 네 가지 기본 상호작용이 있습니다.^[1]

• 중력
• 전자기학
• 약한 상호작용
• 강한 상호작용

중력과 전자기 상호작용은 일상생활에서 직접 볼 수 있는 장거리 힘을 만들어냅니다. 강한 상호작용과 약한 상호작용은 원자 내부의 핵 상호작용을 지배하고 미세하고 아원자 거리에서 힘을 생산합니다.

일부 과학자들은 다섯 번째 힘이 존재할 수 있다고 가정하지만, 이러한 가설들은 추측에 머물러 있습니다. 그러나 다섯 번째 힘은 힉스장과 같은 스칼라장의 형태로 이전의 네 가지 힘의 조합일 가능성이 있습니다.^[2][3][4]

알려진 각각의 기본적인 상호작용은 수학적으로 장으로 설명될 수 있습니다. 중력은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 설명되는 시공간의 곡률에 기인합니다. 나머지 세 개는 이산 양자장이며, 이들의 상호작용은 입자 물리학의 표준 모델에 의해 설명되는 기본 입자에 의해 매개됩니다.^[5]

표준 모델 내에서 강한 상호작용은 글루온이라고 불리는 입자에 의해 운반되며 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자와 같은 강입자를 형성하는 역할을 합니다. 잔류 효과로 후자의 입자를 묶어 원자핵을 만드는 핵력을 만듭니다. 약한 상호작용은 W와 Z 보손이라는 입자에 의해 운반되며, 원자핵에도 작용하여 방사성 붕괴를 매개합니다. 광자가 전달하는 전자기력은 전기장과 자기장을 만들어 원자를 결합시키는 궤도전자와 원자핵 사이의 인력은 물론 가시광선을 비롯한 화학결합과 전자파를 만드는 역할을 하며 전기기술의 기초를 형성합니다. 전자기력은 중력보다 훨씬 강하지만, 큰 물체 안에서는 스스로 상쇄되는 경향이 있기 때문에, 먼 거리에서는 중력이 지배적인 힘이 되는 경향이 있으며, 행성, 별, 은하계와 같은 우주의 큰 규모의 구조를 지탱하는 역할을 합니다.

많은 이론물리학자들은 이러한 기본적인 힘들이 연관되어 있으며, 플랑크 규모라는 아주 작은 규모의 매우 높은 에너지에서 하나의 힘으로 통일될 것이라고 생각하지만,^[6] 입자 가속기는 이를 실험적으로 조사하는 데 필요한 엄청난 에너지를 생산할 수 없습니다. 하나의 이론에서 힘들 사이의 관계를 설명할 수 있는 공통된 이론적 틀을 고안하는 것은 아마도 오늘날의 이론 물리학자들의 가장 큰 목표일 것입니다. 약력과 전자기력은 이미 1979년 노벨 물리학상을 받은 셸던 글래쇼, 압두스 살람, 스티븐 와인버그의 전기약력 이론으로 통일되었습니다.^[7][8][9] 일부 물리학자들은 대통합 이론(GUT)이라고 불리는 분야 내에서 전기 약하고 강한 분야를 통합하려고 합니다. 더 큰 도전은 중력장을 양자화하는 방법을 찾는 것인데, 그 결과 중력을 다른 세 가지 힘과 공통적인 이론적 틀에서 결합시키는 양자 중력 이론(QG)이 탄생했습니다. 일부 이론, 특히 끈 이론은 모든 것의 이론(ToE) 내에서 질량 생성과 함께 네 가지 기본 상호 작용을 통합하여 하나의 프레임워크 내에서 QG와 GUT를 모두 추구합니다.

역사

고전이론

아이작 뉴턴은 1687년 자신의 이론에서 공간을 모든 물체의 상태와 관계가 모든 곳에서 일정한 속도로 전개되는 동안 모든 물체의 앞, 내부, 주변에 존재하는 무한하고 변화할 수 없는 물리적 구조로 상정하여 절대적인 공간과 시간을 제시했습니다. 뉴턴은 질량을 가진 모든 물체가 일정한 속도로 접근하지만 질량에 비례하는 충격에 의해 충돌한다고 추론하면서 물질이 인력을 발휘한다고 추론했습니다. 그의 만유인력 법칙은 모든 물체들 사이에 순간적인 상호작용이 존재한다는 것을 암시했습니다.^[10][11] 전통적으로 해석한 것처럼 뉴턴의 운동 이론은 통신 매개체 없이 중심 힘을 모델링했습니다.^[12][13] 따라서 뉴턴의 이론은 데카르트로 거슬러 올라가는, 거리에서 어떤 행동도 있어서는 안 된다는 전통을 어겼습니다.^[14] 반대로, 1820년대에 자기를 설명할 때 마이클 패러데이는 자기장이 공간을 채우고 그 힘을 전달한다고 추론했습니다. 패러데이는 궁극적으로 모든 힘이 하나로 통합된다고 추측했습니다.^[15]

1873년 제임스 클러크 맥스웰은 전기와 자기를 전자기장의 결과로 통일시켰으며, 그 결과 세 번째 결과는 빛으로 진공에서 일정한 속도로 이동했습니다. 만약 그의 전자기장 이론이 모든 관성 기준 프레임에서 사실이라고 한다면, 이것은 갈릴레이 상대성 이론에 의존했던 뉴턴의 운동 이론과 모순될 것입니다.^[16] 대신에, 만약 그의 장 이론이 기계적인 발광 에테르에 상대적으로 정지한 기준 프레임에만 적용된다면, 그것은 갈릴레이 상대성 이론과 뉴턴의 법칙과 조화될 수 있을 것입니다. (하지만, 그와 같은 "맥스웰 에테르"는 나중에 반증되었고, 사실 뉴턴의 법칙은 대체되어야 했습니다.)^[17]

표준 모델

입자 물리학의 표준 모델은 20세기 후반에 걸쳐 개발되었습니다. 표준 모델에서, 전자기적, 강하고 약한 상호작용은 행동이 양자역학(QM)으로 모델링되는 기본 입자와 관련이 있습니다. QM의 확률적 결과에 대한 예측 성공을 위해 입자 물리학은 일반적으로 특수 상대성 이론으로 설정된 분야에서 QM 이벤트를 모델링합니다. 완전 상대론적 양자장이론.^[18] 게이지 보손이라고 불리는 힘 입자, 즉 기저장의 힘 매개 입자, 즉 페르미온이라고 불리는 물질 입자와 상호작용합니다. 일상적인 물질은 원자이며, 원자핵을 구성하는 위 쿼크와 아래 쿼크, 그리고 궤도를 도는 전자의 세 가지 페르미온 유형으로 구성됩니다. 원자는 전자장의 힘 운반자인 광자를 흡수하고 방출하는 전자 사이의 전자기적 상호작용을 통해 상호작용하고 분자를 형성하며 추가적인 특성을 드러냅니다. 이는 방해받지 않는 경우 잠재적으로 무한한 거리를 가로지릅니다. 전자기학의 QFT는 양자전기역학(QED)입니다.

약한 상호작용의 힘 매개체는 거대한 W와 Z 보손입니다. 전자약이론(EWT)은 전자기학과 약한 상호작용을 모두 포함합니다. 빅뱅 직후의 고온에서 약한 상호작용, 전자기 상호작용, 그리고 힉스 보손은 원래 고대의 다른 사전 대칭 파괴 장들의 혼합된 구성요소였습니다. 초기 우주가 냉각되면서 이들 분야는 장거리 전자기 상호작용, 근거리 약한 상호작용, 힉스 보손으로 분리되었습니다. 힉스 메커니즘에서 힉스장은 일부 양자 입자와 상호작용하는 힉스 보손을 보여주며, 이들 입자에 질량을 부여합니다. 힘 매개 입자가 글루온이며 쿼크 사이의 극소 거리를 가로지르는 강한 상호작용은 양자 색역학(QCD)으로 모델링됩니다. EWT, QCD, 그리고 힉스 메커니즘은 입자 물리학의 표준 모델(SM)을 구성합니다. 예측은 일반적으로 계산 근사 방법을 사용하여 이루어집니다. 그러한 섭동 이론은 일부 실험 관측치(예를 들어, 구속 상태 및 솔리톤)를 모델링하기에는 부적절합니다. 여전히 물리학자들은 표준 모델을 과학에서 가장 실험적으로 확인된 이론으로 널리 인정하고 있습니다.

표준 모델을 넘어 일부 이론가들은 대통합 이론^[19](GUT) 내에서 전기 약하고 강한 상호 작용을 통합하기 위해 노력합니다. GUT에 대한 일부 시도는 알려진 모든 물질 입자가 발견되지 않은 힘 입자와 연관되도록 "그림자" 입자를 가정하고 그 반대의 경우도 있습니다. 다른 이론가들은 가상 힘 운반체인 중력자의 모델링 동작에 의해 중력장을 양자화하고 양자 중력(QG)을 달성하려고 합니다. QG에 대한 한 가지 접근법은 루프 양자 중력(LQG)입니다. 또 다른 이론가들은 네 가지 기본 상호 작용을 모두 모든 것의 이론(ToE)으로 줄이면서 하나의 틀 안에서 QG와 GUT를 모두 추구합니다. ToE에 대한 가장 일반적인 목표는 끈 이론이지만 물질 입자를 모델링하기 위해 힘 입자에 SUSY를 추가했기 때문에 엄밀히 말하면 초끈 이론이 되었습니다. 겉보기에는 서로 다른 여러 개의 초끈 이론들이 중추인 M-이론 위에서 통일되었습니다. 표준 모델을 넘어서는 이론은 여전히 추측성이 강하여 실험적으로 큰 지지가 부족합니다.

기본 상호작용의 개요

기본 상호작용의 개념적 모델에서, 물질은 전하와 스핀이라는 성질을 지닌 페르미온으로 구성됩니다 ±1 ⁄2 (내부 각운동량 ± ħ⁄2, 여기서 ħ는 감소된 플랑크 상수). 그들은 서로 보손을 주고받음으로써 서로를 끌어당기거나 밀어냅니다.

그렇다면 섭동 이론에서 페르미온 쌍의 상호작용은 다음과 같이 모델링될 수 있습니다.

두 페르미온은 →보손 교환에 의한 상호작용 →변화된 두 페르미온은 밖으로 나갑니다.

보손의 교환은 항상 페르미온들 사이에 에너지와 운동량을 전달하고, 따라서 그들의 속도와 방향을 바꿉니다. 교환은 또한 페르미온 사이에서 전하를 운반하여 과정에서 페르미온의 전하를 변화시킬 수 있습니다(예: 페르미온의 한 종류에서 다른 종류로 전환). 보손은 각운동량의 한 단위를 나르기 때문에, 페르미온의 스핀 방향은 (감소된 플랑크 상수 단위로) 교환하는 동안 +1 ⁄2에서 -1 ⁄2로 뒤집힙니다. 그러한 상호작용은 운동량의 변화를 초래하기 때문에 고전적인 뉴턴의 힘을 발생시킬 수 있습니다. 양자역학에서 물리학자들은 종종 "힘"과 "상호작용"이라는 용어를 서로 교환하여 사용합니다. 예를 들어, 약한 상호작용은 때때로 "약한 힘"이라고도 합니다.

현재의 이해에 따르면 중력, 전자기, 약한 상호작용, 강한 상호작용의 네 가지 기본적인 상호작용 또는 힘이 있습니다. 그들의 크기와 행동은 아래 표에 설명된 바와 같이 매우 다양합니다. 현대 물리학은 이러한 기본적인 상호작용으로 관찰된 모든 물리적 현상을 설명하려고 합니다. 또한 다양한 상호 작용 유형의 수를 줄이는 것이 바람직하다고 봅니다. 대표적인 두 가지 사례는 다음과 같은 통합입니다.

• 전자기력으로의 전기력 및 자기력;
• 약전하 상호작용에 대한 전자기 상호작용과 약전하 상호작용; 아래를 참조하십시오.

표에 제시된 바와 같이 관련 잠재력의 크기("상대적 강도")와 "범위" 모두 다소 복잡한 이론적 프레임워크 내에서만 의미가 있습니다. 아래 표는 지속적인 연구의 주제로 남아 있는 개념적 체계의 속성을 나열합니다.

상호작용	현재론	중재자	상대강도[20]	장거리행동(잠재력)	범위(m)[21]
약한	전기약력이론(EWT)	W와 Z 보손	1033	${\displaystyle {\frac {1}{r}}\e^{-m_{\rm {W,Z}}\r}$	10−18
강한.	양자 색역학 (QCD)	글루온	1038	${\displaystyle {\simr}}$ (색채 제한, 아래 토론 참조)	10−15
만유인력	일반 상대성 이론 (GR)	중력자(hypot)	1	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}$	∞
전자기학	양자전기역학 (QED)	광자	1036	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}$	∞

중력 이외의 근본적인 힘에 대한 현대적인 양자역학적 관점은 물질 입자(페르미온)가 서로 직접 상호작용하는 것이 아니라 전하를 운반하고 상호작용 매개자 또는 힘 매개자인 가상 입자(게이지 보손)를 교환한다는 것입니다. 예를 들어 광자는 전하의 상호작용을 매개하고 글루온은 색전하의 상호작용을 매개합니다. 완전한 이론은 단순히 페르미온이 보손을 교환하는 것을 넘어 섭동을 포함합니다. 이러한 추가 섭동은 입자의 생성 또는 파괴뿐만 아니라 페르미온을 교환하는 보손을 포함할 수 있습니다. 예를 들어 파인만 다이어그램을 참조하십시오.

상호작용들은

중력

중력은 전자기 상호작용이 지배적인 원자 규모에서 네 가지 상호작용 중 가장 약한 것입니다.

중력은 두 가지 이유로 천문학적 거리에 걸쳐 있는 천문학적 물체의 네 가지 기본적인 힘 중 가장 중요합니다. 첫째, 중력은 전자기력처럼 무한한 유효 범위를 갖지만 강한 상호작용과 약한 상호작용과는 다릅니다. 둘째, 중력은 항상 끌어당기며 절대 반발하지 않습니다. 반면 천문학의 천체는 거의 중성에 가까운 순전하를 띠는 경향이 있어 한 종류의 전하에 대한 인력과 반대 전하에 대한 반발력은 대부분 서로 상쇄됩니다.^[22]

비록 전자기학이 중력보다 훨씬 강하지만, 정전기적 인력은 행성, 별, 은하와 같은 큰 천체들과는 관련이 없습니다. 단지 그러한 천체들이 동일한 수의 양성자와 전자를 포함하고 있기 때문에 순전하가 0이기 때문입니다. 중력은 매력적이거나 반발력이 있는 전기력과는 달리 매력적이기 때문에 어떤 것도 "취소"하지 않습니다. 반면에 질량을 가진 모든 물체는 중력의 영향을 받기 때문에 끌어당기기만 합니다. 따라서 중력만이 우주의 대규모 구조에 중요합니다.

중력의 긴 거리는 은하와 블랙홀의 구조와 같은 대규모 현상에 책임을 지게 하고, 단지 매력적이기 때문에 우주의 팽창을 지연시킵니다. 중력은 또한 일상적인 경험뿐만 아니라 행성 궤도와 같은 더 작은 규모의 천문학적 현상들을 설명합니다: 물체는 떨어지고, 무거운 물체는 땅에 붙어있는 것처럼 행동하고, 동물들은 그렇게 높이 뛸 수 있습니다.

중력은 수학적으로 설명된 최초의 상호작용이었습니다. 고대에 아리스토텔레스는 질량이 다른 물체는 다른 속도로 떨어진다고 가정했습니다. 과학혁명 기간 동안 갈릴레오 갈릴레이는 대기가 존재할 경우 공기 저항과 부력으로 인한 마찰을 무시하고 특정 상황에서 이 가설이 틀렸다는 것을 실험적으로 밝혀냈습니다(예: 낙하된 공기가 가득 찬 풍선 대 물이 가득 찬 풍선의 경우). 모든 물체는 같은 속도로 지구를 향해 가속합니다. 아이작 뉴턴의 만유인력의 법칙 (1687)은 중력의 행동에 대한 좋은 근사치였습니다. 중력에 대한 현재의 이해는 1915년 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 비롯되었는데, 이 이론은 시공간의 기하학적 측면에서 중력에 대한 더 정확한 설명(특히 우주 질량과 거리에 대한)에서 비롯됩니다.

일반 상대성 이론과 양자 역학(또는 양자장 이론)을 보다 일반적인 양자 중력 이론으로 병합하는 것은 활발한 연구 분야입니다. 중력은 중력자라고 불리는 질량 없는 스핀-2 입자에 의해 매개된다는 가설입니다.

비록 일반 상대성 이론이 가장 작은 규모를 제외한 모든 규모에서 실험적으로 확인되었지만(적어도 약한 장, 예를 들어 블랙홀이 아닌), 일반 상대성 이론에 대한 대안들이 있습니다. 이러한 이론들은 어떤 한계에서 일반 상대성 이론으로 환원되어야 하며, 관찰 작업의 초점은 일반 상대성 이론에서 어떤 편차가 가능한지에 대한 한계를 설정하는 것입니다.

제안된 추가 치수는 중력이 왜 그렇게 약한지 설명할 수 있습니다.^[23]

전기약 상호작용

전자기학과 약한 상호작용은 일상적인 낮은 에너지에서 매우 다른 것으로 보입니다. 두 가지 다른 이론을 사용하여 모델링할 수 있습니다. 그러나 통일 에너지 이상에서는 100 GeV 정도로 단일 전기 약력으로 합쳐집니다.

전기약력 이론은 현대 우주론, 특히 우주가 어떻게 진화했는지에 대해 매우 중요합니다. 빅뱅 직후 온도가 여전히 약 10K¹⁵ 이상일 때 전자기력과 약력이 합쳐진 전기약력으로 여전히 합쳐졌기 때문입니다.

기본 입자 사이의 약한 전자파 상호작용과 전자파의 통일에 기여한 공로로 1979년 노벨 물리학상을 수상한 압두스 살람,^[24][25] 셸던 글래쇼, 스티븐 와인버그.

전자기학

전자기학은 전기로 대전된 입자들 사이에서 작용하는 힘입니다. 이 현상은 정지해 있는 하전 입자들 사이에 작용하는 정전기력과 하전 입자들 사이에 작용하는 전기력과 자기력이 서로 상대적으로 움직이는 결합된 효과를 포함합니다.

전자기학은 중력처럼 무한한 범위를 가지고 있지만 그보다 훨씬 강력하기 때문에 마찰, 무지개, 번개, 그리고 텔레비전, 레이저, 컴퓨터와 같은 인간이 만든 모든 장치와 같은 일상적인 경험의 거시적인 여러 현상을 설명합니다. 전자기학은 근본적으로 모든 화학 결합을 포함하여 화학 원소의 모든 거시적이고 많은 원자 수준의 특성을 결정합니다.

4킬로그램(~1갤런)의 물통에,

총 전자 전하량입니다. 따라서 1미터 간격으로 두 개의 그러한 주전자를 놓으면, 그 중 하나의 주전자에 있는 전자는 다른 주전자에 있는 전자를 다음과 같은 힘으로 밀어냅니다.

이 힘은 지구의 무게보다 몇 배나 더 큽니다. 한 주전자의 원자핵도 같은 힘으로 다른 주전자의 원자핵을 밀어냅니다. 그러나 이러한 반발력은 Jug A에 있는 전자와 Jug B에 있는 전자의 인력 및 Jug A에 있는 전자와 Jug B에 있는 전자의 인력에 의해 상쇄되어 알짜 힘이 발생하지 않습니다. 전자기력은 중력보다 엄청나게 강하지만 큰 물체의 경우에는 중력이 지배하도록 상쇄됩니다.

전기 현상과 자기 현상은 예로부터 관찰되어 왔지만, 전기와 자기가 같은 기본적인 상호작용의 두 가지 측면이라는 것은 제임스 클러크 맥스웰이 19세기에 이르러서야 밝혀냈습니다. 1864년까지 맥스웰 방정식은 이 통일된 상호작용을 엄격하게 정량화했습니다. 벡터 미적분학을 사용하여 재 진술된 맥스웰의 이론은 대부분의 기술적 목적에 적합한 고전적인 전자기 이론입니다.

진공에서 빛의 일정한 속도(관습적으로 소문자 c로 표시)는 맥스웰 방정식에서 도출할 수 있으며, 이는 특수 상대성 이론과 일치합니다. 그러나 관측자가 아무리 빨리 움직여도 빛의 속도는 일정하다는 관측에서 비롯된 알베르트 아인슈타인의 1905년 특수상대성이론은 맥스웰 방정식이 암시하는 이론적 결과가 전자기학을 훨씬 뛰어넘어 시공간의 본질에 지대한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다.

아인슈타인은 고전적인 전자기학에서 벗어난 또 다른 연구에서 빛이 주파수에 따라 특정 에너지 함량의 '양자'로 전달된다는 막스 플랑크의 발견을 활용해 광전 효과를 설명하기도 했습니다. 1927년경부터 폴 디랙은 전자기력의 상대론적 이론과 양자역학을 결합했습니다. 1940년대에 리처드 파인만, 프리먼 다이슨, 줄리안 슈윙거, 신이티로 토모나가의 추가 연구로 이 이론이 완성되었으며, 이 이론은 현재 양자전기역학, 즉 전자기학의 수정된 이론으로 불립니다. 양자전기역학과 양자역학은 고전 전자기 이론에서는 불가능한 방식으로 전하를 띤 입자의 일정 비율이 이동하는 양자 터널링과 같은 전자기 행동에 대한 이론적 기초를 제공합니다. 트랜지스터와 같은 일상적인 전자 장치가 작동하는 데 필요합니다.

약한 상호작용

약한 상호작용이나 약한 핵력이 베타 붕괴와 같은 일부 핵 현상의 원인입니다. 전자기력과 약력은 이제 통합된 전기 약력 상호작용의 두 가지 측면으로 이해됩니다. 이 발견은 표준 모델로 알려진 통합 이론을 향한 첫 단계였습니다. 전기약력 상호작용 이론에서 약한 힘의 운반자는 W와 Z 보손이라고 불리는 거대한 게이지 보손입니다. 약한 교호작용은 패리티를 보존하지 않는 유일하게 알려진 교호작용이며, 이 교호작용은 좌우 비대칭입니다. 약한 상호작용은 CP 대칭성을 위반하기도 하지만 CPT를 보존합니다.

강한 상호작용

강한 상호작용, 즉 강한 핵력은 가장 복잡한 상호작용인데, 주로 거리에 따라 변화하는 방식 때문입니다. 핵력은 약 1펨토미터(fm, 또는⁻¹⁵ 10미터) 거리에서 핵자들 사이에서 강력하게 매력적이지만, 약 2.5fm를 초과하는 거리에서는 대수롭지 않게 급격히 감소합니다. 0.7 fm 미만의 거리에서는 핵력이 반발하게 됩니다. 핵자는 힘이 허용하는 이상으로 가까이 올 수 없기 때문에, 이 반발 성분은 핵의 물리적 크기에 책임이 있습니다.

1908년 핵이 발견된 후, 양전하를 띤 양성자의 정전기적 반발력을 극복하기 위해서는 오늘날 핵력으로 알려진 새로운 힘이 필요하다는 것이 분명했습니다. 그렇지 않으면 핵은 존재할 수 없습니다. 게다가, 그 힘은 양성자들을 전체 원자의 지름보다 훨씬 작은 지름⁻¹⁵ 10 m 정도의 부피로 짜낼 수 있을 만큼 충분히 강해야 했습니다. 유카와 히데키는 이 힘의 짧은 범위에서 질량이 약 100 MeV인 거대한 힘 입자와 관련이 있다고 예측했습니다.

1947년 파이온의 발견은 입자 물리학의 현대 시대를 이끌었습니다. 1940년대부터 1960년대까지 수백 개의 강입자가 발견되었고, 강한 상호작용을 하는 입자로서 매우 복잡한 강입자 이론이 개발되었습니다. 특히 다음과 같습니다.

• 파이온은 진공 응축물의 진동으로 이해되었습니다.
• 준 존 사쿠라이(Jun John Sakurai)는 rho와 오메가 벡터 보손을 아이소스핀과 과전하의 대략적인 대칭을 위해 입자를 강제로 운반하는 것으로 제안했습니다.
• 제프리 츄, 에드워드 K. 버젯과 스티븐 프라우치(Steven Frautschi)는 무거운 강입자를 현의 진동 및 회전 여기로 이해할 수 있는 계열로 분류했습니다.

이러한 접근법은 각각 통찰력을 제공했지만, 어떤 접근법도 직접적으로 근본 이론으로 이어지지는 않았습니다.

머리 겔만(Murray Gell-Mann)은 조지 즈바이그(George Zweig)와 함께 1961년에 부분적으로 대전된 쿼크를 처음 제안했습니다. 1960년대 내내, 다른 저자들은 양자 색역학의 현대적인 기본 이론과 유사한 이론을 쿼크의 상호작용에 대한 간단한 모델로 여겼습니다. 쿼크 색전하를 도입한 한무영과 난부 요이치로는 QCD의 글루온을 처음으로 가정했습니다. 한씨와 남부씨는 그것이 힘을 실어 나르는 장과 관련이 있을 수 있다고 가정했습니다. 그러나 그 당시에는 이러한 모델이 어떻게 쿼크를 영구적으로 가둘 수 있는지 보기가 어려웠습니다. 한과 남부는 또한 각각의 쿼크 색에 정수 전기 전하를 할당하여 쿼크가 평균적으로만 부분적으로 전하를 띠게 했고, 그들은 그들의 모델에 있는 쿼크가 영구적으로 구속될 것이라고 예상하지 못했습니다.

1971년 머레이 겔만과 하랄드 프리츠쉬는 한/남부 컬러 게이지 장이 부분적으로 대전된 쿼크들의 단거리 상호작용에 대한 올바른 이론이라고 제안했습니다. 잠시 후 데이비드 그로스, 프랭크 윌체크, 데이비드 폴리처는 이 이론이 점근적 자유의 속성을 가지고 있다는 것을 발견하고 실험적 증거와 접촉할 수 있게 했습니다. 그들은 QCD가 모든 거리 척도에서 정확한 강한 상호작용의 완전한 이론이라고 결론지었습니다. 점근적 자유의 발견은 쿼크가 영구적으로 제한될 경우 강한 상호작용의 장거리 특성조차도 실험과 일치할 수 있다는 것이 명확해졌기 때문에 대부분의 물리학자들이 QCD를 받아들이도록 이끌었습니다: 강한 힘은 거리에 따라 무한히 증가하여 쿼크를 강입자 내부에 가둡니다.

쿼크가 제한되어 있다고 가정했을 때, 미하일 쉬프만, 아르카디 빈슈테인, 발렌타인 자하로프는 진공을 설명하기 위한 몇 가지 추가 매개변수만으로 QCD에서 직접 많은 낮은 강입자의 특성을 계산할 수 있었습니다. 1980년, 케네스 G. 윌슨은 QCD의 첫 번째 원리에 기초한 컴퓨터 계산을 발표하여 QCD가 쿼크를 제한할 것이라는 확신을 갖게 했습니다. 그 이후로 QCD는 강력한 상호작용에 대한 확립된 이론이었습니다.

QCD는 글루온이라고 불리는 8개의 보손 입자에 의해 상호작용하는 부분적으로 대전된 쿼크의 이론입니다. 글루온은 쿼크뿐만 아니라 서로 상호작용하며, 먼 거리에서 힘의 선은 선형 퍼텐셜인 일정한 인력에 의해 느슨하게 모델링된 끈으로 충돌합니다. 이러한 방식으로 QCD의 수학적 이론은 쿼크가 단거리에서 어떻게 상호작용하는지뿐만 아니라 더 먼 거리에서 나타나는 츄와 프라우치가 발견한 끈과 같은 행동도 설명합니다.

힉스 상호작용

전통적으로 힉스 상호작용은 4개의 기본 힘 중에서 계산되지 않습니다.^[26][27]

그럼에도 불구하고, 게이지 상호 작용이 발생하거나 다른 형태의 대칭에 의해 생성되지는 않지만, 힉스장의 큐빅 유카와 커플링은 약하게 매력적인 다섯 번째 상호 작용을 생성합니다. 힉스 메커니즘을 통해 자발적인 대칭이 깨지고 난 후에도 유카와 항은 그 형태를 유지합니다.

$'$$u}}{\bar {\psi$}}\$phi$'\$psi$},

유카와 커플링$$λ i ${\displaystyle \lambda$_{i}}, $입자$ $mi$ {\$displaystyle$m_{i}(eV 단위), 힉스 진공 기대값 246.22 GeV. 따라서 결합된 입자는 가상의 힉스 보손을 교환하여 형태의 고전적인 전위를 산출할 수 있습니다.

${\displaystyle \mathrm{V(}r)}$ =${\displaystyle }$-$$m $im$ m H$$2${\displaystyle }$14 π re - m H c${\displaystyle r}$ / ℏ {\displaystyle ${\displaystyle V}$(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}{m_{\rm {H}^{2}}{\frac {1}{4\pir}e^{-m_{\rm {H}\,c\,r/\hbar },

힉스 질량 125.18 GeV. 힉스 보손의 감소된 콤프턴 파장은 매우 작기 때문에(W 및 Z 보손과 유사한 1.576×10m⁻¹⁸), 이 전위는 몇 atm의 유효 범위를 갖습니다. 두 전자 사이에서는 약한 상호작용보다 약 10배 정도¹¹ 약하게 시작하고, 0이 아닌 거리에서는 기하급수적으로 더 약하게 성장합니다.

표준 모델을 넘어서

기존의 네 가지 기본 상호작용을 전기약화 통일 모델에 체계화하기 위한 수많은 이론적 노력이 이루어졌습니다.

GUT(Grand Unified Theory)는 표준 모델에 의해 설명되는 세 가지 기본 상호 작용이 매우 높은 수준의 에너지 아래에서 분해되고 별도의 상호 작용을 생성하는 대칭을 갖는 단일 상호 작용의 서로 다른 표현임을 보여주기 위한 제안입니다. GUT는 또한 표준 모델이 관련이 없는 것으로 취급하는 자연 상수 사이의 관계를 예측할 뿐만 아니라 전자기적, 약한 힘, 강한 힘의 상대적 강도에 대한 게이지 커플링 통일을 예측할 것으로 예상됩니다(예를 들어, 이것은 다음과 같습니다). 1991년 대형 전자-양전자 충돌기(Large Electron-Positron Collider)에서 초대칭 이론을 검증했습니다.^[specify]

끈이론, 고리양자중력, 트위스터 이론 등 양자중력 이론이 광범위한 수용성을 확보하지 못했기 때문에 GUT와 양자중력 이론을 통합하는 만물 이론은 더 큰 장벽에 직면해 있습니다. 어떤 이론들은 힘을 운반하는 입자들의 표준 모델 목록을 완성하기 위해 중력자를 찾는 반면, 다른 이론들은 루프 양자 중력과 같이 시공간 자체가 양자적 측면을 가질 수 있는 가능성을 강조합니다.

표준 모델을 넘어서는 일부 이론에는 가상의 다섯 번째 힘이 포함되어 있으며, 그러한 힘을 찾는 것은 실험 물리학 연구의 지속적인 라인입니다. 초대칭 이론에서 일부 입자는 초대칭 파괴 효과를 통해서만 질량을 얻고 모듈리로 알려진 이러한 입자는 새로운 힘을 매개할 수 있습니다. 새로운 힘을 찾아야 하는 또 다른 이유는 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 발견(암흑 에너지라고도 함)으로 인해 0이 아닌 우주 상수를 설명해야 할 필요성이 발생하고 일반 상대성 이론의 다른 수정이 가능하다는 것입니다. CP 위반, 암흑 물질, 암흑 흐름과 같은 현상을 설명하기 위한 다섯 번째 힘도 제시되었습니다.

참고 항목

• 5번째 힘으로 가정된 5번째 힘.
• 제라르두스 후프트
• 에드워드 위튼
• 하워드 조지

참고문헌

서지학

• Davies, Paul (1986), The Forces of Nature, Cambridge Univ. Press 두 번째.
• Feynman, Richard (1967), The Character of Physical Law, MIT Press, ISBN 978-0-262-56003-0
• Schumm, Bruce A. (2004), Deep Down Things, Johns Hopkins University Press 모든 상호 작용이 논의되지만 특히 약자에 대한 논의가 철저합니다.
• Weinberg, Steven (1993), The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe, Basic Books, ISBN 978-0-465-02437-7
• Weinberg, Steven (1994), Dreams of a Final Theory, Basic Books, ISBN 978-0-679-74408-5
• Padmanabhan, T. (1998), After The First Three Minutes: The Story of Our Universe, Cambridge Univ. Press, ISBN 978-0-521-62972-0
• Perkins, Donald H. (2000), Introduction to High Energy Physics (4th ed.), Cambridge Univ. Press, ISBN 978-0-521-62196-0
• Riazuddin (December 29, 2009). "Non-standard interactions" (PDF). NCP 5th Particle Physics Sypnoisis. 1 (1): 1–25. Retrieved March 19, 2011.