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by 지나온 시간들 Aug 16. 2022

약력과 중성미자

약력은 그 크기가 너무 작아 우리의 일상생활에서 그 존재를 알아차리기는 힘들지만 수많은 핵붕괴의 원인이 되는 힘이다. 약력은 칼륨의 동위 원소 칼륨 40의 핵붕괴와 중성자 붕괴 같은 핵붕괴에 관여한다. 핵반응은 원자핵의 구조를 변화시키고, 이를 통해 원자핵 내부의 중성자 수가 바뀌고 엄청난 에너지가 방출된다.

약력은 무거운 원소들의 생성에 도움을 주기도 한다. 무거운 원소는 격렬한 초신성 폭발 과정에서 만들어진다. 태양을 비롯한 별이 빛을 발하는 과정에서도 약력은 필수적인 역할을 한다. 수소가 헬륨으로 전환되는 연쇄 반응이 약력에 의해 시작되기 때문이다. 약력에 의해 시작된 핵반응은 우주의 조성을 끊임없이 변화시킨다.

약력은 ‘약력 게이지 보존’이라는 입자의 교환으로 만들어진다. 약력 게이지 보존에는 세 종류가 있다. 전하를 가진 두 종류는 W+와 W-이다. 다른 하나는 전기적으로 중성인 Z이다. 약력 게이지 보존의 교환은 약력 전하에 따라서 인력과 척력을 만들어 낸다. 약력에서 약전하가 하는 역할은 전자기력에서 전기 전하가 하는 역할과 같으며 전하의 양은 숫자로 나타낸다. 입자는 약전하를 가질 경우에만 약력을 경험하며, 약전하의 특성에 따라 상호 작용의 유형과 힘의 크기가 정해진다.

전자기력과 약력 사이에는 몇 가지 중요한 차이가 존재한다. 우선 약력에는 왼쪽과 오른쪽의 구별이 있다. 물리학자들은 이를 가리켜 ‘공간 반전 대칭성 깨짐’이라고 부른다. 반전성 깨짐은 입자와 그 입자의 거울 이미지가 서로 다르게 행동함을 의미한다. 약력은 왼쪽으로 회전하는 입자와 오른쪽으로 회전하는 입자에 다른 방식으로 작용하기 때문에 반전 대칭성을 깬다. 오직 왼쪽으로 회전하는 입자만이 약력을 느낀다. 오른쪽으로 회전하는 입자는 약력을 느끼지 못한다. 중성자 붕괴 시에 나타나는 전자는 언제나 왼쪽으로 회전한다. 약한 상호 작용은 반전 대칭성을 깨기 때문에 기본 입자와 그에 작용하는 힘을 열거할 때 이들을 왼쪽으로 회전하는 입자와 오른쪽으로 회전하는 입자로 분리해서 나열할 필요가 있다.

또한 약력은 입자의 유형을 바꾼다. 예를 들어 중성자가 약력 게이지 보존과 상호 작용하면 양성자가 나오는 경우가 있다. 이는 어떤 입자가 광자와 상호작용했을 때와는 아주 다른 반응이다. 광자와 상호 작용할 경우에는 어느 종류든 그 대전된 입자의 총수, 예를 들어 전자의 개수에서 양전자의 개수를 뺀 값은 변하지 않는다. 하지만 중성자가 대전된 약력 게이지 보존과 상호 작용하면 중성자가 붕괴되어 전혀 다른 입자인 양성자가 나타난다.

그러나 중성자와 양성자는 질량도 전하도 다르기 때문에, 중성자가 양성자로 붕괴될 때에는 전하량, 에너지, 운동량을 보존하기 위해서 양성자와 다른 입자가 나와야만 한다. 중성자가 붕괴될 때는 양성자뿐만 아니라 전자와 중성미자라는 입자가 나오는 것으로 밝혀졌다. 이 과정이 베타붕괴이다.

중성미자는 약력을 통해서만 상호 작용하며, 전자기력에는 반응하지 않기 때문에 처음 베타 붕괴를 관측했을 때에는 아무도 중성미자를 알지 못했다. 입자 관측기는 전기적으로 대전된 하전 입자나 에너지를 나르는 입자만을 검출할 수 있다. 그런데 중성미자는 전기 전하도 없고 붕괴하지도 않기 때문에 관측기에서 검출되지 않았고 이로 인해 아무도 그 존재를 알 수 없었다. 하지만 중성미자를 생각하지 않으면 베타 붕괴는 에너지 보존 법칙의 예외가 되고 만다. 한 계에서 에너지가 생겨날 수도 사라질 수도 없다는 에너지 보존 법칙은 물리학의 근본 원칙이다. 에너지는 오직 한쪽에서 다른 쪽으로 이동할 뿐이다. 베타 붕괴에서 에너지 보존 법칙이 성립하지 않는다는 가정은 비상식적이었지만, 중성미자의 존재를 알지 못했던 많은 물리학자들은 이를 받아들였다.

현재 우리는 지금 태양의 핵반응에서 광자와 함께 방출된 중성미자가 우리 주변을 계속 지나간다는 사실을 알고 있다. 또한 이런 중성미자는 스핀이 왼쪽이라는 것이다. 스핀이 오른쪽인 중성미자는 존재하지 않거나 매우 약하게 상호 작용한다.

또한 약력의 작용 거리는 상당히 짧다. 약력은 약 1경분의 1센티미터라는 극히 짧은 거리 내에서 급격히 약해진다. 그 이유는 약력 게이지 보존의 질량이 0이 아니기 때문인 것으로 알려졌다. 이런 면에서 약력 게이지 보존은 질량이 없는 두 입자, 즉 광자나 중력자와는 다르다. 광자나 중력자는 모두 에너지와 운동량을 가지고 있으나 질량이 없기 때문에 광대한 거리를 가로질러 힘을 전달할 수 있다.

입자의 질량이 0이라는 점은 이 입자가 빛의 속도로 운동하며 입자의 에너지와 운동량이 항상 특정한 관계, 즉 에너지가 운동량에 비례하는 관계를 따른다는 것을 말해 준다. 하지만 약력의 전달자는 질량을 갖는다. 우리가 중성미자의 존재를 몰랐다면 아마 약력을 이해하지 못했을 것이다.