문서의 임의 삭제는 제재 대상으로, 문서를 삭제하려면 삭제 토론을 진행해야 합니다. 문서 보기문서 삭제토론 게이지 장 (문단 편집) === 자발적 대칭성 깨짐, 힉스 매커니즘, 전자기약력 === 이 대목은 게이지 장 혹은 게이지 대칭성이라는 주요 타이틀을 놓고 봤을 때 다른 항목에서나 다뤄질 법한 이야기이다. 하지만 자연에 드러나는 게이지 대칭성이 어떤 모습으로 나타나는가를 살펴보는 데 있어서 이 주제 또한 중요한 대목이기도 하다. 양-밀스 장으로 기술되는 액션에 [math(\displaystyle A_\mu A^\mu)] 같은 항(질량항)이 들어갈 수 없고 이는 장이 질량을 가질 수 없다는 것으로 연결된다고 말한 적이 있었다. 실제로 광자와 강한 상호작용의 양자인 글루온은 질량이 0인 것으로 관측되었다. 하지만 약한 상호작용을 고려하면 문제가 생긴다. 약한 상호작용의 양자들은 질량이 0이 아니다 못해 양성자보다 무거울 것으로 추정되었기 때문이다. 양-밀스 장으로는 약한 상호작용을 설명하기 어려워 보였다. 그러던 중 만약 '''게이지 대칭성이 깨진다면 저런 질량항이 생길 수 있다'''는 아이디어가 제시되었다. 페르미온 장과 같은 게이지 변환을 갖는 어떤 스칼라 장이 존재해 다음과 같은 커플링 항이 있다고 하자. [math(\displaystyle |D_\mu \phi|^2 = |( \partial_\mu + ie A_\mu )\phi|^2.)] 편의 상 전자기장의 경우만 살펴 보겠다. 그런데 만약 [[섭동 이론|[math(\displaystyle \phi(x) \to \phi_1(x) + \phi_0)]]]로 바꿔 쓴다고 하면 위 항에서 이런 항이 튀어 나온다. [math(\displaystyle e^2 |\phi_0|^2 A_\mu A^\mu.)] 위에서 말했던 질량항이 생긴 것이다. 그런데 [math(\displaystyle \phi(x) \to \phi_1(x) + \phi_0)]를 취하고 나면 시스템은 [math(\displaystyle \phi_1(x))]에 대해 '''처음의 게이지 대칭성을 잃어버린다'''. 그 대신 전자기장(양-밀스 장)에 질량항이 생겨 매개 입자가 질량을 가지게 된다.[* 사실 페르미온 장도 질량을 가지기 어렵다. CP-대칭성 등에 의하여 페르미온 장의 질량항은 위에서 쓴 그 모양을 유지할 수가 없는데, 그렇게 되면 질량항은 게이지 불변이지 않게 된다. 따라서 페르미온들도 질량을 가질 수 없게 된다. 하지만 실제 페르미온들은 질량을 가지고 있다. 이 문제 역시 힉스 매커니즘을 통해 해결이 가능하다. 괜히 힉스 입자가 질량을 부여하는 입자(정확한 표현은 아니지만, 어쨌든)라는 별칭을 가지게 된 것이 아니다.] 이런 방식은 임의의 양-밀스 장에 대해 성립한다. 저런 변환이 굳이 일어나리란 법은 없고 사실 그냥 수학적으로 일부러 저렇게 쓴 것과 별 차이가 없을 수도 있다. 하지만 스칼라 장의 퍼텐셜(나머지 항들)이 저런 변환을 강제하면 어떨까? 예를 들어 스칼라 장의 에너지가 최소인 지점이 장의 크기가 0인 지점[* 이때를 가리켜 가짜 진공이라고 부른다.]이 아니고 [math(\displaystyle \phi = \phi_0)]일 때[* 이때를 가리켜 진짜 진공이라고 부른다.]라면 어떨까? 그러면 [math(\displaystyle \phi)]는 에너지가 가장 낮게 되는 [math(\displaystyle \phi_0)] 근처에만 머물려고 할 것이며 실질적으로 [math(\displaystyle \phi(x) \to \phi_1(x) + \phi_0)]가 의미를 가지게 되어 처음의 게이지 대칭성이 더 이상 유지되지 못하게 된다. 이러한 현상을 가리켜 '''자발적 대칭성 깨짐'''라고 부르며, 이렇게 만드는 매커니즘이 그 유명한 '''힉스 매커니즘'''이다. 그리고 저 스칼라 장이 다름 아닌 힉스 장이다. 2013년에 발견된 힉스 입자는 바로 이 힉스 장의 양자에 해당한다. 아무튼 이런 식으로 양-밀스 장은 대칭성이 깨지는 대신 질량을 가지게 된다. 와인버그, 글래쇼, 살람은 기존의 게이지 장 이론에 힉스 매커니즘을 도입하여 약력을 설명하려고 했다. 이때 필요한 게이지 군은 [math(\displaystyle SU(2) \times U(1))]인데, 이때 이 게이지 장의 양자(매개 입자)는 총 네 개이다. 이들은 전부 다 질량이 0인데, 힉스 매커니즘에 의하여 대칭성이 깨지면 이 네 입자 중 하나만 빼고 전부 다가 0이 아닌 질량을 갖게 된다. 이 0이 아닌 질량을 가지는 입자들이 바로 관측으로 확인된 입자들은 W+, W-, Z0 입자들이다. 그러면 나머지 한 입자는 뭘까? 이론 전개에 의하면 이 질량이 0인 입자는 사실 광자에 해당한다는 것을 알 수 있다. 즉, (힉스 매커니즘에 의하여) '''대칭성이 붕괴된 [math(\displaystyle SU(2) \times U(1))]-게이지 장은 약력과 전자기력 모두를 포함하는 장'''인 것이다. 그리고 에너지 혹은 온도가 충분히 높은 영역에서 원래 대칭성이 다시 살아나면[* 가짜 진공 상태에 머물 수 있게 되면.] 전자기력과 약력은 더 이상 구분되지 않고 하나의 게이지 군으로 기술된다. 소위 전자기력과 약력의 통합인 전자기약력인 것이다. 이런 식으로 최초의 '''통일장 이론'''이 등장한 것이다. 그리고 이 이론은 실험을 통해 검증 받았고, 놀라운 성공을 거두어 와인버그, 글래쇼, 살람 이 세 사람이 노벨 물리학상을 공동으로 수상할 수 있게 된 것이다. 결국 이러한 전자기약력+힉스 매커니즘은 전자기력과 약력을 제대로 기술하는 이론이 되었고 여기에 강력까지 붙여서[* 후술하겠지만 강력이 따로노는 것 같아 보여도 이 또한 더 큰 대칭성이 붕괴하여 생긴 것으로 보는 연구들이 있다.] 총 게이지 군이 [math(\displaystyle SU(3) \times SU(2) \times U(1))]임을 확인할 수 있었다. 이렇게 해서 얻어진 이론이 바로 '''[[표준모형]]'''이다.저장 버튼을 클릭하면 당신이 기여한 내용을 CC-BY-NC-SA 2.0 KR으로 배포하고,기여한 문서에 대한 하이퍼링크나 URL을 이용하여 저작자 표시를 하는 것으로 충분하다는 데 동의하는 것입니다.이 동의는 철회할 수 없습니다.캡챠저장미리보기