게이지 대칭성이 깨지는 이유는 무엇인가요?
표준모형에서 보면 게이지 대칭성이 깨지는 것을 보고 어떤 힘이 작용하는지에 대해 알 수 있다고 하는데
이 게이지 대칭성이 어째서 깨지는 것인지 혹은 깨져야 하는 것인지 알고 싶습니다.
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다. 게이지 대칭성이 깨지는 것은 전자의 질량, 중성자의 질량, 전기력 상수 등의 물리상수들이 서로 다른 크기를 가지는 것과 관련이 있습니다.
표준 모형에서는 전자와 전자성 중성자, 양성 중성자 등의 입자들이 서로 상호작용하면서 발생하는 교환입자들인 보존게이지입자들을 이용하여 입자간 상호작용을 설명합니다. 이 때 게이지 대칭성이 유지된다면, 보존게이지입자들 간의 상호작용은 서로 동등하게 작용하는 대칭적인 상황을 유지합니다.
하지만, 서로 다른 질량과 크기를 가지는 물리상수들이 존재하기 때문에 이상적인 대칭성을 유지하기 어렵습니다. 이러한 물리상수들의 차이가 게이지 대칭성을 깨뜨리게 되고, 이는 표준 모형에서 약력학적인 불일치를 발생시킵니다. 따라서 이를 보완하기 위해 확장된 모형이 제안되고 있으며, 더욱 정확한 물리학적 모델링을 위해 노력하고 있습니다.
게이지 대칭성이 깨지는 이유는 전자기 상호작용의 양자수학적인 특성 때문입니다. 표준모형에서는 전기력과 약력, 강력과는 달리, 전자기력과 위약력(weak force)의 작용 메커니즘이 다릅니다. 이 때문에 전자기력과 위약력이 서로 다른 게이지 이론으로 설명되는데, 이 두 이론의 게이지 대칭성이 서로 다르게 작용하게 되어 게이지 대칭성이 깨지게 됩니다. 게이지 대칭성이 깨지면 새로운 입자가 생성되거나, 기존 입자의 질량 등이 변화할 수 있습니다. 이러한 현상은 대칭성 깨짐(Symmetry Breaking) 혹은 Higgs Mechanism으로 불리며, 표준모형에서는 Higgs Boson에 의해 대부분의 입자의 질량이 결정됩니다.