CP 위반

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물리학에서 CP 위반(CP violation)은 물리적 현상이 패리티 대칭(P)과 전하 켤레 대칭(C)을 조합한 CP 대칭을 깨는 것이다. 깨진 양은 아주 작지만, 우주에서 물질과 반물질의 양이 같지 않다는 사실을 설명한다. 이론적으로, 중력과 전자기력은 CP 대칭을 보존하지만, 약력과 강력은 CP 대칭을 깨뜨릴 수 있다. 약력의 CP 위반은 관측되었지만, 강력의 CP 위반은 실험적으로 관측할 수 없을 정도로 작다.

C대칭, P대칭, T대칭[편집]

양자전기역학 따위의 이론은 3종의 전반적(global) 대칭을 가진다. 이들은 C대칭 (전하 켤래 대칭), P대칭 (패리티 대칭), T대칭(시간 역행 대칭)이다. 패리티 대칭은 우리가 사는 세상의 물리 이론을 거울에 비추어 보았을 때(공간을 반전한다면 x \to -x) 어떤 물리 법칙이 똑같은 것을 말한다. 전하 켤례 대칭은 어떤 입자를 전하가 반대인 반입자로 바꾸었을 때에도 이를 기술하는 물리 법칙이 똑같은 것을 말한다. CP는 이 두 대칭은 동시에 생각한 것이다. 시간 역행 대칭은 시간이 거꾸로 흘러가도 물리 법칙이 같은 꼴을 가지는 것이다.

양자전기역학은 C대칭, P대칭, T대칭을 개별적으로 보존하지만, 표준 모형은 일반적으로 세 대칭 각각을 깨고, 임의의 두 대칭을 조합한 대칭(CP, PT, CT)도 깨지만, 셋을 모두 조합한 CPT 대칭은 보존한다. 일반적으로, 모든 로런츠 불변인 양자장론은 CPT대칭을 보존한다 (CPT 정리).

약한 상호작용에서는 쿼크의 질량 고유상태와 맛깔 고유상태가 불일치하므로 (쿼크 섞임), 3세대의 쿼크가 있다면 지금까지 관측된 CP위반을 설명할 수 있다. 이를 예견한 고바야시 마코토마스카와 도시히데는 2008년 노벨 물리학상을 받게 되었다.

강한 상호작용의 CP 문제[편집]

강한 상호작용의 CP 문제(strong CP problem)는 강한 상호작용CP 대칭을 깨뜨리는지, 그리고 만약 깨뜨린다면 왜 그 정도가 아주 약한지를 묻는다. 강력은 표준 모형에 따르면 자연스럽게 CP 대칭을 깨뜨린다. 그러나 이 현상은 실험적으로 존재하지 않거나, 존재한다면 그 크기가 아주 작다고 확인되었다. 좀 더 자세히 말하자면, 표준모형에서 게이지 대칭을 따르고 재규격화할 수 있는 모든 항 가운데 다음과 같은 항이 있다.

\theta \epsilon^{\mu \nu \rho \sigma} F_{\mu \nu} F_{\rho \sigma}.

여기에서 F는 강한 상호작용의 패러데이 텐서고, \epsilon^{\mu \nu \rho \sigma}레비치비타 기호다. (정확히 말하면, 손지기 회전으로, 쿼크렙톤유카와 항이 가지는 CP 지수를 \theta에 흡수시킬 수 있다.) 이 항은 P와 CP 대칭을 깬다. CP를 깨는 정도는 이 항의 계수 \theta와 관계있다. 이 계수는 가령 중성자의 쌍극자를 관찰하여 잴 수있다. 실험적으로 이 값은 10-9 미만이어야 한다. 이 계수가 작은 이유를 설명하는 것이 강한 상호작용의 CP문제다.

현재 가장 유력한 해법은 페체이 퀸 이론이다. 페체이 퀸 이론에서는 또다른 대칭 U(1)을 도입하고, \theta를 동적 장으로 격상한다. 이 장에 해당하는 입자는 액시온이다. 이에 따라 액시온 장이 진공 예상값을 얻으면서 \langle\theta\rangle는 자연스럽게 작아진다. 그러나 이는 실험적으로 검증되지 않았으며, 액시온은 아직 발견되지 않았다.

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