전자기력도 중력도 모든 힘은 본래 하나

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이 세계에는 4가지의 '힘'이 있습니다. 친밀한 것은 전자기력이나 중력이고 미시세계에는 약한 힘과 강한 힘이라는 힘도 존재합니다. 이 4가지 힘은 우주가 갓 태어났을 때는 같은 하나의 힘이었다고 합니다.
하이퍼 카미오칸데에서 탐색 중인 '양성자 붕괴'는 중력 이외의 3가지 힘이 본래 하나였음을 보여주는 증거가 됩니다.

'중력'은 우리 몸을 지구에 끌어당기거나 별이나 블랙홀과 같은 천체를 만드는 등 매우 강한 이미지가 있습니다. 그러나 실은 4가지의 힘 중에서 가장 약해서 철판 등에 작은 자석을 붙여도 떨어지지 않습니다.

'전자기력'은 전기력이나 자기력을 가리킵니다. 전자제품을 작동시키거나 물건을 만질 때에도 전자기력이 작용하고 있습니다. 우리의 몸과 물질은 무수한 원자로 이루어져 있으며, 중심에 있는 원자핵 주위를 전자가 돌고 있습니다. 우리가 뭔가를 만질 때 마이너스의 전하를 가지는 전자끼리가 반발하고 있어서 실제로는 손과 물질 사이에 약간의 거리가 있습니다.

또한 전자기력은 원자핵(+)과 전자(-)를 연결하여 원자를 만들 때도 작동합니다. 이 원자핵 중에는 양성자(+)와 전하 0의 중성자가 있습니다. 양성자가 여러 개 있을 때 반발하려고 하는 전자기력보다 강하게 작용하여 원자핵이 흩어져 버리는 것을 막고 있는 힘이 '강한 힘'입니다. 이 힘은 쿼크라는 기본입자를 연결하여 양성자와 중성자를 만들 때도 작동합니다. 그 이름대로 매우 강한 힘이지만 작용하는 거리가 매우 짧기 때문에 일상생활에서 느끼지 못합니다.

'약한 힘'은 전자기력보다 약하기 때문에 이렇게 명명되었습니다. 이 힘도 평소 느끼지는 못하지만 원자핵의 베타붕괴를 일으키는 등 다양한 입자를 다른 입자로 변화시키는 중요한 역할을 하고 있습니다.

이러한 힘은 사실 소립자가 전하고 있습니다. 전자기력은 '광자(빛)', 강한 힘은 '글루온', 약한 힘은 'W 보손'과 'Z 보손'입니다. 중력은 중력자가 전하고 있는 것으로 생각되지만 아직 발견되지 않았습니다. 이러한 힘을 전달하는 입자를 물질입자가 던지면서 힘이 작용하고 있습니다. 약한 힘이 매우 약한 원인은 W보손과 Z보손이 매우 무거워(양성자 80~90개분의 무게) 던지는 것이 어렵기 때문이라고 생각할 수 있습니다.

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3가지 힘을 통일하는 '대통일이론'

현재는 완전히 다른 것처럼 보이는 '4가지의 힘'이지만 우주가 갓 태어난 무렵은 하나의 힘이었습니다. 그러나 매우 뜨거웠던 우주가 팽창해 식어가면서 우선 중력, 다음에 강한 힘, 그리고 전자기력과 약한 힘으로 분기해 갔다고 생각되고 있습니다.

전자기력과 약한 힘의 분기는 전약통일이론에 의해 밝혀졌습니다. 처음에는 광자처럼 광속으로 날아다니던 W 보손과 Z 보손이 우주가 식어 입자에 질량이 생겨나면서 자유롭게 움직일 수 없게 되어 버렸습니다.

한편 중력과 강한 힘의 분기에 대해서는 아직 분명히 알 수 없습니다. 우주의 역사를 거슬러 올라간다면 다음에 통일되는 것은 강한 힘입니다. 중력을 제외한 세 가지 힘을 통일하는 이론을 '대통일이론'이라고 부릅니다.

힘의 통일을 검증하기 위해서는 통일된 시대의 우주와 동일한 고에너지 상태를 만드는 방법이 있습니다. 그러나 3개의 힘이 분기하기 전의 시대는 양성자의 크기 10^-15m보다 훨씬 작은 10^-32m의 우주에 10^16GeV(양성자의 에너지 약 1경 개분)라는 상태였습니다. 이런 초고에너지 상태는 인공적으로 만들어질 수 없습니다. 그렇다면 어떻게 이론을 증명할 수 있는가? 그 열쇠가 되는 것이 하이퍼 카미오칸데에서 발견과 관측을 목표로 하는 '양성자 붕괴'입니다.

양성자가 깨지는 현상은 지금까지 발견되지 않았습니다. 소립자물리학의 정설인 '표준이론'에서도 기본적으로 양성자는 깨지지 않는다고 정리하고 있습니다. 양성자와 만나면 대소멸하는 반양성자는 있지만, 반양성자 자체가 양성자와 동시에 쌍생성되기 때문에 우주 전체의 양성자의 수는 변화하지 않았습니다. 그러나 '대통일이론'은 '양성자가 언젠가 붕괴한다'고 예언합니다. 이에 따르면 양성자의 평균 수명은 현재 우주의 연령(약 138억 년)의 100억 배의 100억 배 이상. 엄청난 시간이지만 충분한 양의 양성자를 모아 관찰하면 붕괴를 관측할 수 있습니다.

현재 가동 중인 슈퍼 카미오칸데에서도 2만 2500톤(양성자 7.5×10^33개)의 물을 모아 25년 이상 관찰하고 있지만 아직 붕괴는 관측되지 않았습니다. 이를 통해 양성자의 수명은 원래 예상보다 10^34년 이상 긴 것으로 나타났습니다. 슈퍼 카미오칸데의 약 10배의 부피를 자랑하고 감도도 비약적으로 향상하는 하이퍼 카미오칸데에 더욱 기대가 모입니다.

양성자 붕괴의 관측에는 또 하나 큰 의미가 있습니다. 물질을 구성하는 소립자는 '쿼크'와 '렙톤'으로 분류되는데, 이 두 가지 관계를 밝힐 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 쿼크와 렙톤은 같은 소립자이면서 보이는 방법이 다른 것일 가능성이 있습니다. 쿼크와 렙톤이 실은 같은 소입자였다는 것이 밝혀지면 소립자의 표준이론을 크게 발전시키는 중요한 발견이 됩니다.

표준이론은 소립자물리학의 기본이지만, 그것만으로는 설명할 수 없는 것이 많이 있습니다. 소립자는 왜 17종류도 있는가?, 쿼크와 렙톤은 왜 양쪽 모두 3세대인가?, 왜 각각의 소립자의 무게에 이렇게 차이가 있는 것인가?, 왜 양성자와 전자의 전하의 크기는 완전히 같은가?

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 電磁気力も重力も、
すべての力はもともとひとつ？
https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/hk/special/yonde04/