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기본 상호작용 Fundamental Interaction |
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중력 Gravity |
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강한 상호작용 Strong interaction |
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1. 개요
강한 상호작용(強한相互作用, strong interaction), 강력(強力, strong force) 또는 강한 핵력(強한核力, strong nuclear force)은 게이지 보손인 글루온이 매개하고 있는 힘으로 자연계의 네 가지 기본 상호작용 중 하나이다.2. 특징
양자색역학에 의한 쿼크와 글루온 사이의 힘을 일컫는다. 상호작용 중 가장 강하다. 중력, 전자기력과는 다르게 짧은 거리에서 작용하기 때문에 20세기가 되어서야 발견되었다. 원자핵을 결합시키는 힘은 그 힘 자체가 강한 상호작용은 아니지만 강한 상호작용에 의한 현상이므로 이를 핵력, 또는 잔류 강한 핵력이라고 한다. 입자물리학의 강입자는 강한 상호작용을 하는 입자라는 뜻으로 붙여진 이름이다.중력과 전자기력이 역제곱 법칙을 따르는 반면 강한 상호작용은 입자 간 거리가 멀어질수록 강해진다. 마치 입자가 서로 고무줄로 연결된 듯이 행동하는데 이를 점근적 자유성이라 한다. 아주 가까워지면 미는 힘이 되기도 한다. 강한 상호작용을 기술하는 이론인 양자색역학은 1973년 그로스, 윌첵과 폴리처가 만들어내었다. 이들은 약한 상호작용을 기술하는 와인버그, 살람, 글래쇼의 이론에 영향을 받아 강한 상호작용을 기술하는 양자색역학을 개발하여 강한 상호작용의 세기를 계산하는데 성공한다.
양자색역학이 등장하기 전인 1970년대 초에는 강한 상호작용을 설명하는 이론으로 끈이론이 각광받기도 했다. 그러나 끈이론은 11차원의 시공간을 필요로 하는 등 여러가지 문제가 있어서 결국 강한 상호작용의 이론은 양자색역학으로 대체되었다. 그렇게 끈이론은 과거의 이론이 되었지만 끈이론에 간접적으로 영향을 받아 강한 상호작용을 끈으로 근사하는 모형은 유용하기 때문에 지금도 널리 쓰이고 있다.
중간자인 파이온이 강한 상호작용을 매개한다고 잘못 설명하는 도서도 많다. 물론 파이온도 보손의 일종이긴 하나, 파이온은 쿼크로 구성되었다.
3. 발견
1919년 어니스트 러더퍼드는 질소나 가벼운 원소들에 알파 입자를 충돌시키면 양성자(당시엔 수소 원자핵이라고 부름)가 나오는 것을 보고 원자핵 내에 양성자가 있다는 것을 알아낸다. 양성자들이 전자기력의 반발을 이겨내고 안정적으로 핵을 구성하기 위해서는 강한 힘이 필요하다고 여겨졌고, 그래서 이 모종의 힘을 '핵력'(Nuclear Force)이라고 부르게 되었다.1930년경 베릴륨이 알파 입자와 충돌하면 미지의 방사선을 낸다는 사실이 알려졌고 1932년 제임스 채드윅은 이 방사선의 정체가 중성자임을 확인한다. 이를 통해 원자핵이 양성자와 중성자로 이루어져 있음이 밝혀졌다.
1935년 유카와 히데키는 양성자와 중성자 사이의 핵력은 스핀이 0인 입자에 의해 매개된다는 이론을 세운다. 유카와는 뮤온의 정체나 베타 붕괴 현상도 유카와 이론으로 설명할 수 있을 것으로 기대했지만 1947년 파이온이 발견되면서 유카와 이론은 뮤온이나 베타붕괴와는 별개의 현상임이 확인된다. 파이온의 발견 이전에는 베타붕괴나 핵자간의 핵력 모두 본질은 한가지 힘이라고 여기는 경향이 있었는데 파이온이 뮤온과 구별되면서 아원자 입자의 핵력도 세기에 따라 약한 핵력과 강한 핵력으로 점차 나눠부르기 시작한다. 원래 핵력이라 부르던 힘은 잔류 강한 핵력으로 이해되게 되었다. 핵력은 핵자들 사이에서 파이온을 주고 받으면서 나타나는 힘이다. 양성자-중성자 간 힘이 가장 세고 양성자-양성자나 중성자-중성자 사이의 힘은 그에 비해 약하다. 작용 범위는 수 펨토미터(페르미, 10-15m) 수준이다.
1957년 난부 요이치로는 로버트 호프스태터가 수행한 핵자와 전자 사이의 산란 실험 데이터를 근거로 파이온 말고도 로([math(\rho)]) 메손이 존재하여 핵력에 영향을 줄 것이라고 예측했다. 1961년에는 로 메손이 실제로 존재한다는 것이 밝혀졌고 계속해서 여러가지 메손이 발견되었다. 이를 확장하여 1960년대에는 핵자들 사이의 힘은 파이온 이외에도 로([math(\rho)]) 메손, 에타([math(\eta)]) 메손, 오메가([math(\omega)]) 메손 등을 주고 받아서 나타난다는 One-Boson-Exchange (OBE) Model 이 등장했다. 해당 모형은 적은 수의 변수로 핵력을 효과적으로 근사할 수 있다는 장점이 있지만 양자색역학으로 넘어가는 중간단계가 불확실하다는 단점이 있다.