액시온

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액시온
이론 페체이 퀸 이론(1977)
기호 A0
질량 10-6 ~ 1 eV/c2
전하 0 C
스핀 0

입자물리학에서, 액시온(axion)은 양자 색역학강한 상호작용의 CP 문제(strong-CP problem)를 해결하기 위해 페체이 퀸 이론이 1977년 도입한 대칭성과 관련되는 가상의 스칼라 보손이다. 액시온은 차가운 암흑 물질 후보 가운데 하나다. 자기장을 받으면 광자 두개로 분리된다.

역사[편집]

강한 상호작용의 CP 문제[편집]

헤라르뒤스 엇호프트가 보인 바와 같이 양자 색역학은 일반적으로 CP 위반항을 허용한다. 즉, 양자 색역학의 라그랑지언에는, 흔히 우리가 알고 있는 각 입자들의 상호작용과 더불어 다음과 같은 항을 쓸 수 있다.

\bar{\theta}\frac{g^2}{32\pi^2}
G_{a\mu\nu}\tilde G^{a\mu\nu} [1]

이 항은 반전성(P)과 전하 켤레 대칭(C)를 깨며, 또한 그 둘을 합성한 CP 대칭도 깬다. CP를 깨는 정도는 이 항의 계수 \bar{\theta}에 비례하며, 이것은 이론적으로는 0 과 2π 사이의 임의의 값을 가질 수 있는 표준 모형의 기본 상수이다. 이 계수는 중성자의 자기 쌍극자 모멘트를 만들기 때문에 실험을 통해서 정해질 수 있다. 이 계수는 아직 관측되지 않았으며 10−10보다 작아야 하며 이는 표준 모형의 문제를 드러낸다. 이 강한 상호작용에서 이 계수가 왜 이렇게 작은가 하는 문제를 강한 상호작용의 CP 문제라고 부른다.

여기엔 간단한 해가 존재하는데 적어도 하나의 쿼크의 질량이 없으면 \bar{\theta}는 식에서 사라진다. 그러나 어떠한 쿼크도 질량이 있다는 강력한 실험적 증거가 존재하기 때문에 CP 문제는 해결되지 않는다.

페체이-퀸 이론[편집]

1977년 로베르토 페체이(Roberto Peccei)와 헬렌 퀸(Helen Quinn)은 CP 문제에 대해 멋진 해답인 페체이-퀸 이론을 만들었다. 이 이론에서 \bar{\theta}는 쿼크에 손잡이꼬임 대칭, 통상 페체이-퀸 대칭(Peccei–Quinn symmetry)이라는 대칭을 도입해서 물리적인 양이 아닐 수 있다는 것을 보였는데, 사실은 이 방법은 입자를 도입하는 방법이었다. 여기서 대칭성은 자발적으로 깨져 \bar{\theta}의 역할을 하는 새로운 입자가 나타난다. 프랭크 윌첵스티븐 와인버그가 보인 대로, 다른 모든 항들이 CP를 보존하고 이 항만이 CP를 깨는 항이라면, \bar{\theta}가 0인 것이 포텐셜의 최솟값이 되고 새 입자는 \bar{\theta}의 역할을 하게 된다. 이 입자를 액시온(axion)이라고 한다.(기술적으로 액시온은 깨어진 페차이-퀸 대칭성으로 말미암아 골드스톤 보손일 가능성이 있다. 그러나 QCD 진공 효과(순간자)가 페체이-퀸 대칭성을 깨고 액시온에게 질량을 주기 때문에 정확히는 유사 골드스톤 보손이다.)

어원[편집]

"액시온"이라는 이름은 프랭크 윌첵이 모든 것을 깨끗이 씻어낸다는 의미에서 세제상표이기도 한 이름을 따 온 것이다. 물리적으로는 손잡이 꼬임은 입자물리학 용어로 축벡터류(axial vector current)와 연관되므로, "액시온"은 물리적으로도 합당한 용어이다.

성질[편집]

실험적 검증[편집]

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

1977-78년에 제시된 페체이-퀸-와인버그-윌첵 액시온은 수명이 10^{-8}초 정도로 작아서 1978년에 이미 존재하지 않음이 확인되었다. 1979년에 김진의는 1979년 액시온의 수명을 아주 길게 해서 우주의 암흑물질 씨앗의 가능성을 열어 둔 모형을 제시하였다. 이는 초기에는 검증할 수 없을 것이라 여겨져 "미시 액시온"(invisible axion)이라 불리었으나, 곧 Sikivie 형태의 탐색 장치로 확인할 수 있는 가능성이 제시되었다. 오늘날 어 지금은 아주 가벼운 액시온 또는 KSVZ 액시온(Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov Axion; 김-시프만-바인스테인-자카로브 액시온)이라 불리며 수명은 10^{40}년 쯤 된다.

우주론에서의 액시온[편집]

액시온 이론에 따르면, 빅뱅 과정 중에 액시온이 엄청나게 많이 생성된다. 하지만 우주 급팽창에 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.

끈 이론에서의 액시온[편집]

액시온은 또한 끈 이론의 필수 요소이다. 유향(oriented) 끈 이론에는 일반적으로 액시온의 역할을 하는 장인 캘브-라몽 장 B_{\mu\nu}가 존재한다.

참고 문헌[편집]

  1. Kamionkowski, Marc, John March-Russell (1992년). Planck-Scale Physics and the Peccei-Quinn Mechanism. arXiv:hep-th/9202003.

바깥 고리[편집]