강한 상호작용
Strong interaction
핵물리학과 입자물리학에서 흔히 강한 힘 또는 강한 핵력이라고도 불리는 강한 상호작용은 쿼크를 양성자, 중성자 및 기타 강입자 입자로 국한시키는 근본적인 상호작용입니다. 강한 상호작용은 중성자와 양성자를 묶어 원자핵을 만들기도 하는데, 이를 핵력이라고 합니다.
양성자나 중성자의 질량의 대부분은 강한 상호작용 에너지의 결과이며, 개별 쿼크는 양성자 질량의 약 1%만을 제공합니다. 10m−15 범위(1펨토미터, 핵자의 반지름보다 약간 큰 값)에서 강한 힘은 전자기력의 약 100배, 약한 상호작용의 약 10배6, 중력의 약 10배입니다38.[1]
원자핵의 맥락에서 이 힘은 양성자와 중성자를 묶어 핵을 형성하며 핵력(또는 잔류 강력)이라고 합니다.[2] 힘은 이 규모의 거대하고 짧은 수명의 중간자에 의해 매개되기 때문에 잔류하는 강한 상호작용은 핵자들 사이의 거리 의존적인 행동을 따르는데, 이는 핵자가 하드론 내에서 쿼크를 결합하도록 작용할 때와는 상당히 다릅니다. 핵융합 대 핵분열과 관련하여 핵력의 결합 에너지에도 차이가 있습니다. 핵융합은 태양과 다른 별들의 에너지 생산의 대부분을 차지합니다. 핵분열은 종종 약한 상호작용에 의해 매개되지만 방사성 원소와 동위원소의 붕괴를 허용합니다. 핵력의 에너지는 우라늄이나 플루토늄을 이용한 핵분열 무기와 수소폭탄과 같은 핵융합 무기 모두에서 인위적으로 부분적으로 방출됩니다.[3][4]
역사
1971년 이전에 물리학자들은 원자핵이 어떻게 결합되어 있는지에 대해 불확실했습니다. 핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있고 양성자는 양전하를 가지고 있는 반면 중성자는 전기적으로 중성이라고 알려져 있었습니다. 그 당시 물리학의 이해에 따르면 양전하는 서로 밀어내고 양전하를 띤 양성자는 핵이 떨어져 나가게 할 것입니다. 그러나 이것은 결코 관찰되지 않았습니다. 이 현상을 설명하기 위해서는 새로운 물리학이 필요했습니다.
양성자들의 상호 전자기적 반발에도 불구하고 원자핵이 어떻게 결합되어 있는지를 설명하기 위해 더 강한 인력이 가정되었습니다. 이 가정된 힘을 강한 힘이라고 불렀는데, 이 힘은 핵을 구성하는 양성자와 중성자에 작용하는 근본적인 힘이라고 믿었습니다.
1964년, 머레이 겔만과 조지 츠바이그는 쿼크 모델을 제안했습니다. 쿼크 모델은 양성자와 중성자(강입자와 중간자라고 불리는 다른 아원자 입자들과 함께)가 실제로 쿼크라고 불리는 더 작은 입자들로 구성되어 있다고 주장합니다.[5] 핵자들 사이의 강한 인력은 쿼크들을 양성자와 중성자로 묶는 더 근본적인 힘의 부작용이었습니다. 양자 색역학 이론은 쿼크가 눈에 보이는 색과는 관련이 없지만 색전하라고 불리는 것을 운반한다고 설명합니다.[6] 색전하와 달리 쿼크는 강한 상호작용으로 인해 서로 끌어당기고, 이를 매개하는 입자를 글루온이라고 불렀습니다.
강한 상호작용의 거동
강한 상호작용은 두 범위에서 관찰할 수 있으며, 각각의 범위에서 서로 다른 힘 캐리어에 의해 매개됩니다. 약 0.8 fm(대략 핵자의 반지름) 미만의 규모에서 힘은 글루온에 의해 전달되고 쿼크를 결합하여 양성자, 중성자 및 기타 강입자를 형성합니다. 더 큰 규모로, 약 3 fm까지 힘은 중간자에 의해 전달되고 핵자(양성자와 중성자)를 결합하여 원자핵을 형성합니다.[2] 전자의 맥락에서 흔히 색력으로 알려져 있으며, 강입자가 고에너지 입자에 부딪히면 구성 성분(쿼크와 글루온)을 자유롭게 움직이는 입자로 방출하는 대신 무거운 입자의 제트를 생성할 정도로 강합니다. 이 강한 힘의 성질을 색 구속이라고 합니다.
| 상호작용 | 범위 | 열렸다. | 운송 회사 | 결과 |
|---|---|---|---|---|
| 강한. | 0. | 쿼크 | 글루온 | 하드론 |
| 잔류 스트롱 | 1-3fm | 하드론 | 중간자 | 핵자 |
하드론 내
강한 상호작용은 네 가지 근본적인 힘 중에서 "가장 강한" 것이기 때문에 강하다는 단어가 사용됩니다. 10m−15 거리에서 강도는 전자기력의 약 100배, 약력의6 약 10배, 중력의38 약 10배입니다.
강한 힘은 입자 물리학의 표준 모델의 일부인 양자 색역학(QCD)에 의해 설명됩니다. 수학적으로, QCD는 SU(3)라고 불리는 로컬(게이지) 대칭 그룹에 기초한 비-아벨리안 게이지 이론입니다.
강한 상호작용의 힘 매개 입자는 질량 없는 게이지 보손인 글루온입니다. 글루온은 색전하라고 불리는 종류의 전하를 통해 쿼크 및 다른 글루온과 상호작용하는 것으로 생각됩니다. 색전하는 전자파 전하와 비슷하지만 한 가지 형태가 아닌 세 가지 형태(±적색, ±녹색, ±청색)로 나와 행동 규칙이 다릅니다. 이러한 규칙은 쿼크-글루온 상호작용 이론인 양자 색역학(QCD)에 의해 설명됩니다. 중성인 전자기학의 광자와는 달리 글루온은 색전하를 가지고 있습니다. 쿼크와 글루온은 사라지지 않는 색전하를 운반하는 유일한 기본 입자이므로 서로 강한 상호작용에만 참여합니다. 강한 힘은 글루온이 다른 쿼크와 글루온 입자와 상호작용하는 것을 표현하는 것입니다.
QCD의 모든 쿼크와 글루온은 강한 힘을 통해 서로 상호작용합니다. 교호작용의 강도는 강한 결합 상수에 의해 매개변수화됩니다. 이 강도는 그룹 이론적 특성인 입자의 게이지 색전하에 의해 수정됩니다.
강한 힘은 쿼크 사이에서 작용합니다. 다른 모든 힘(전자기력, 약력, 중력)과 달리 강한 힘은 쿼크 쌍 사이의 거리가 증가함에 따라 감소하지 않습니다. 제한된 거리(하드론 정도의 크기)에 도달한 후에는 쿼크 사이의 거리가 아무리 멀어져도 약 10,000뉴턴(N)의 강도로 유지됩니다.[7]: 164 쿼크 사이의 분리가 증가함에 따라 쌍에 추가된 에너지는 원래의 두 개 사이에 일치하는 쿼크의 새로운 쌍을 생성합니다. 따라서 쿼크를 분리하는 것은 불가능합니다. 그 설명은 10,000 뉴톤의 힘에 대한 작업의 양은 그 상호작용의 아주 짧은 거리 내에 입자-반입자 쌍을 생성하기에 충분하다는 것입니다. 두 개의 쿼크를 떼어내는 데 필요한 계에 더해진 에너지는 원래 쿼크와 짝을 이루는 새로운 쿼크 쌍을 만들어 낼 것입니다. QCD에서 이 현상을 색 구속이라고 하는데, 결과적으로 개별 자유 쿼크가 아닌 강입자만 관찰할 수 있습니다. 자유 쿼크를 탐색한 모든 실험이 실패한 것은 이러한 현상의 증거로 여겨집니다.
고에너지 충돌에 관여하는 기본 쿼크와 글루온 입자는 직접 관찰할 수 없습니다. 이 상호작용은 관측 가능한 새로 생성된 강입자의 제트를 생성합니다. 이 강입자들은 쿼크-쿼크 결합에 충분한 에너지가 축적될 때 생성됩니다. 마치 한 양성자의 쿼크가 입자 가속기 실험 중에 충격을 주는 다른 양성자의 매우 빠른 쿼크에 의해 부딪힐 때와 마찬가지로 질량-에너지 등가성의 표시입니다. 그러나 쿼크-글루온 플라스마가 관찰되었습니다.[8]
강입자 사이에
색 구속은 강한 힘이 결합된 쿼크(강입자)의 콤팩트한 모음에서 쿼크 쌍 사이의 거리 감소 없이 작용한다는 것을 의미하지만, 양성자의 반경에 접근하거나 그보다 큰 거리에서는 잔류력(아래 설명)이 남아 있습니다. 이 잔류력은 거리에 따라 급격히 감소하므로 매우 짧은 거리(효과적으로 몇 펨토미터)입니다. 그것은 "무색의" 강입자들 사이의 힘으로 나타나며, 핵력 또는 잔류하는 강한 힘(그리고 역사적으로 강한 핵력)으로 알려져 있습니다.
핵력은 중간자와 중입자로 알려진 강입자 사이에서 작용합니다. 간접적으로 작용하는 이 "잔존하는 강한 힘"은 가상 π의 일부를 형성하는 글루온과 ρ 중간자를 전달하고, 이는 차례로 핵을 (수소-1 핵 너머에) 함께 고정하는 핵자들 사이의 힘을 전달합니다.
따라서 잔류하는 강한 힘은 쿼크를 양성자와 중성자로 결합시키는 강한 힘의 작은 잔류물입니다. 이와 같은 힘은 중성자와 양성자 사이에서 훨씬 약합니다. 왜냐하면 중성자 원자 사이의 전자기력(반데르발스 힘)이 전자를 핵과 결합시켜 원자를 형성하는 전자기력보다 훨씬 약하기 때문입니다.[7]
강한 힘과 달리, 잔류하는 강한 힘은 거리가 멀어질수록 감소하고, 빠르게 감소합니다. 감소량은 대략 거리의 음의 지수승으로 나타나지만, 이에 대한 간단한 표현은 없습니다. 유카와 퍼텐셜을 참조하십시오. 매력적인 잔류력의 거리에 따른 급격한 감소와 핵 내 양성자 사이에 작용하는 반발 전자기력의 덜 급격한 감소는 원자 번호가 82보다 큰 모든 원자핵과 같은 더 큰 원자핵의 불안정성을 유발합니다.
핵력은 강한 상호작용 자체보다 약하지만, 여전히 매우 에너지가 넘칩니다: 전이는 감마선을 생성합니다. 핵의 질량은 개별 핵자의 질량을 합한 것과 상당히 다릅니다. 이 질량 결함은 핵력과 관련된 잠재적 에너지 때문입니다. 질량 결함의 차이는 핵융합과 핵분열을 동력으로 합니다.
통일
소위 대통합 이론(GUT)은 강한 상호작용과 약한 상호작용을 단일 힘의 측면으로 설명하는 것을 목표로 하는데, 이는 전자기적 상호작용과 약한 상호작용이 글래쇼에 의해 통일된 것과 유사합니다.와인버그-살람 모델을 전기 약한 상호작용으로 만듭니다. 강한 상호작용은 더 높은 에너지(또는 온도)에서 강한 힘의 세기가 감소하는 점근적 자유라는 특성을 가지고 있습니다. 그 세기가 전기약물 상호작용과 같아지는 이론화된 에너지가 대통일 에너지입니다. 그러나 이 과정을 설명하기 위한 대통합 이론은 아직 성공적으로 공식화되지 않았으며, 대통합은 물리학의 해결되지 않은 문제로 남아 있습니다.
GUT가 맞다면, 빅뱅 이후와 우주의 전기 약기 동안, 전기 약력은 강한 힘으로부터 분리되었습니다. 이에 따라 대통일 시대는 이 이전부터 존재했을 것으로 추정됩니다.
참고 항목
참고문헌
- ^ 상호 작용의 상대적 강도는 거리에 따라 다릅니다. 예를 들어 맷 스트래슬러의 에세이 "알려진 힘의 힘"을 참조하십시오.
- ^ a b "The four forces: the strong interaction Duke University Astrophysics Dept website".
- ^ Ragheb, Magdi. "Chapter 4 Nuclear Processes, The Strong Force" (PDF). University of Illinois. Archived from the original (PDF) on 2012-12-18. Retrieved 2023-10-03.
- ^ "Lesson 13: Binding energy and mass defect". Furry Elephant physics educational site. Archived from the original on 2023-05-28. Retrieved 2023-10-03.
- ^ Wilczek, Frank (1982). "Quantum chromodynamics: The modern theory of the strong interaction". Annual Review of Nuclear and Particle Science. 32 (1): 177–209. doi:10.1146/annurev.ns.32.120182.001141. Retrieved 22 December 2022.
- ^ Feynman, R.P. (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. p. 136. ISBN 978-0-691-08388-9.
The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color', which has nothing to do with color in the normal sense.
- ^ a b Fritzsch, H. (1983). Quarks: The Stuff of Matter. Basic Books. pp. 167–168. ISBN 978-0-465-06781-7.
- ^ "Quark–gluon plasma is the most primordial state of matter". About.com Education. Archived from the original on 2017-01-18. Retrieved 2017-01-16.
- ^ "3. The Strong Force" (PDF). Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge. Archived from the original (PDF) on 22 October 2021. Retrieved 10 January 2023.
더보기
- Christman, J.R. (2001). "MISN-0-280: The Strong Interaction" (PDF).
- Griffiths, David (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-60386-3.
- Halzen, F.; Martin, A.D. (1984). Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-88741-6.
- Kane, G.L. (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3.
- Morris, R. (2003). The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Joseph Henry Press. ISBN 978-0-309-50593-2.
외부 링크
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