액시온

액시온
이론	페체이 퀸 이론(1974)
질량	10-6 ~ 1 eV/c2
전하	0 C
스핀	0

액시온(axion)은 양자색역학의 강한 상호작용의 CP 문제(strong-CP problem)를 해결하기 위해 페체이 퀸 이론이 가정한 대칭성과 관련되는 스핀 0인 입자이다.

강한 상호작용의 CP문제

표준모형의 정의에 따라 재규격화가 가능한 모든 항을 써보면, 흔히 우리가 알고 있는 각 입자들의 상호작용과 더불어 다음과 같은 항을 쓸 수 있다.

$(\theta/32\pi^2 )\epsilon^{\mu \nu \rho \sigma} F_{\mu \nu} F_{\rho \sigma}.$

이 항은 공간의 방향을 반대로 해서 보는 공간 반전 대칭성(parity, P)을 깨며, 입자와 반입자를 바꾸어주는 입자-반입자 대칭(charge conjugation, C)까지 곱한 CP도 깬다. CP를 깨는 정도는 이 항의 계수 θ에 비례하는 바, 이것은 중성자의 쌍극자를 관찰하면 잴 수 있는 값인데, 아직 관측되지 않았으며 10^-10보다 작아야 한다. 강한 상호작용에서 이 계수가 왜 이렇게 작은가 하는 문제가 강한 상호작용의 CP 대칭성 문제이다.

액시온

페차이와 퀸은 이 θ는 쿼크에 손잡이꼬임 대칭성, 통상 페차이-퀸 대칭성이라 요사이 부르게 되는 대칭성을 도입해서 물리적인 양이 아닐 수 있다는 것을 보였는데, 사실은 이 방법은 입자를 도입하는 방법이었고, 다른 모든 항들이 CP를 보존하고 이 항만이 CP를 깨는 항이라면, θ가 0인 것이 포텐샬의 최소값임을 보일 수 있다. 이 입자를 액시온(axion)이라고 한다. 액시온이라는 이름은 Frank Wilczek이 모든 것을 깨끗이 씻어낸다는 의미에서 세제상표이기도 한 이름을 따 온 것이다. 물리적으로는 손잡이 꼬임은 입자물리학 용어로 axial vector current와 연관되므로 axion은 물리적으로도 합당한 용어이다. 1977-78년에 제시된 페차이-퀸-와인버그-윌첵 액시온은 수명이 10 ^{− 8}초 정도로 작아서 1978년에 이미 존재하지 않음이 확인되었다. 액시온의 수명을 아주 길게 해서 우주의 암흑물질 씨앗의 가능성을 열어 둔 것이 1979년에 제시된 Kim 액시온이고 초기에는 Invisible axion이라 불리었으나 곧 Sikivie 형태의 탐색 장치로 확인할 수 있는 가능성이 제시되어 지금은 아주 가벼운 액시온이라 불리며 수명은 10⁴⁰년 쯤 된다.

성질

액시온은 전하를 가지지 않고, 10^-6에서 10^-2 eV/c²정도의 매우 적은 질량을 가진 것으로 추정된다. 또한 강한 상호작용과 약한 상호작용에 대해 매우 낮은 상호작용 단면적을 가진 것으로 생각된다. 그러므로 관측이 매우 힘들며, 현재 태양의 중심핵으로부터 방출되는 액시온을 관측하기 위한 CAST 실험이 진행중이다. 그러나 액시온은 자기장의 영향으로 광자로 바뀌는 성질이 있어, 이 방법으로 또 검출이 시도되고 있다.

액시온 이론은, 빅뱅 과정 중에 액시온이 엄청나게 많이 생성되었다고 설명한다. 하지만 우주 팽창에 이은 질량 생성 과정 중에 상당한 양의 운동 마찰력이 생기게 되며, 이는 모든 원시 액시온으로부터 운동 에너지를 흡수해간다. 그러므로, 액시온 이론은 우주는 원시 액시온의 매우 차가운 응축물로 가득차 있을 것이라고 예측한다. 원시 액시온의 질량에 따라, 액시온 이론은 우주학에서의 암흑물질 문제를 적절하게 설명한다. 암흑물질인 액시온을 관측하기 위한 연구는 진행 중에 있지만, 액시온이 있을만한 위치의 질량 영역을 감지할 수 있을 정도로 민감한 관측이 아직 부족한 상황이다. 이제까지의 연구는 높은 질량을 가지는 액시온의 존재 가능성을 일축한다.

액시온은 또한 끈 이론의 필수요소 이다.

함께 보기

• 김진의

바깥 고리

• PhysicsWeb.org의 2004년 11월 24일 기사
• CAST 실험
• CAST at MPI/MPE