강력 (strong force)
- 원자 핵 내에서 척력 (전자기력)에 대항하여 양성자와 중성자 즉 쿼크를 함께 묶어 놓는 힘
- 매우 짧은 거리에서만 작용되고 역제곱 법칙이 적용되지 않는다.
- 글루온을 교환하는 쿼크 사이의 힘으로 color force라고도 함
- 매개 입자: 글루온
양성자와 중성자는 어떤 주어진 순간에 각각의 색깔 중 하나의 쿼크 만을 포함할 수 있다.
쿼크는 힘을 실어 나르는 글루온에 의해 계속 색깔을 변화 시킨다.
글루온은 전하도 중량도 없지만 쿼크와 마찬가지로 색깔이 있다.
글루온이 쿼크사이를 지나가면서 쿼크들의 색을 변화시켜 캔슬시킨다.
약력 (weak force)
1933년 Enrico Fermi가 베타 붕괴를 설명하기 위해 고안한 이론에서 약력을 정의했다. 베타 붕괴는 중성자가 양성자와 전자로 바뀌는 과정으로 한 종류의 입자가 다른 종류의 입자로 바뀌는데 작용하는 힘이다. 힘의 작용 범위는 매개 입자 질량의 역수에 비례하여 광자는 질량이 없으므로 전자기력은 무한대이지만 약력의 매개 입자인 W± 와 Z는 다른 입자들에 비해 상당히 무거워 (양성자의 70 ~ 80 배) 작용 범위가 아주 좁다
- 매개입자: W+, W−, Z (중성)
- 강력과 약력은 핵 내부에서의 작용이다. 약력의 작용 범위는 강력의 1/1000로 매우 좁다. 매개 입자 W와 Z의 질량은 다른 입자들에 비해 엄청 커서 빠르게 생성되거나 파괴되지 않아 상호작용의 힘이 약하다.
- 태양 핵 융합 시 약력에 의해 양성자 일부가 중성자로 바뀐다. 약력은 태양 내 수소의 소모 속도를 제어하여 지구에 얼마나 많은 양의 빛과 열이 도달하는지 결정한다.
파울리 중성미자 가설
중성자는 양성자보다 약 0.1% 정도 무겁다.
아인슈타인의 에너지 법칙 E = mc²에 의하면 질량은 에너지로 대체 될 수 있다.
베타 붕괴에서
중성자 (n) → 양성자 (p) + 전자 (e)로 나뉘어지게 되는데 전자는 중성자나 양성자에 비해 거의 없는 질량 만큼이나 가벼우므로
에너지 보존 법칙에서 벗어나게 된다.
닐 보어는 베타 붕괴에서 에너지 보존 법칙이 적용되지 않는다고 주장했지만 볼프강 파울리는 중성미자 가설을 내 놓는다.
과학자들에게 보어의 이론보다 파울리 이론을 더 선호했던 이유는 에너지 보존 법칙이 그대로 인정되기 때문이었다.
1932년 제임스 채드윅이 중성자를 발견함으로서 파울리가 명명했던 중성자는 엔리코 페르미에 의해 중성미자 (neutrino)로 변경되었다.
1956년 중성미자 존재가 확인되었다.
n → p + e + 전자 반중성미자
up down down → up up down으로 되면서 W-가 방출하고 곧 전자와 전자 반 중성미자로 변한다.
양성자가 중성자로 될 때 W+를 방출한다.
W boson은 양성자보다 80 ~ 90배 무거운데 어떻게 방출이 가능할까?
△x△p ≥ ħ/2
△E△t ≥ ħ/2
하이젠베르크의 불확정성 원리에 의하면 아주 짧은 기간엔 에너지 보존 법칙이 침해될 수 있다고 한다.
에너지 위반이 증가할 수록 빌린 에너지를 다시 되돌려야 될 기간은 줄어든다.
약력의 작용 범위가 아주 짧아 그 거리는 W 입자가 두 번째 입자에 의해 흡수되기 전 이동할 수 있는 최대 거리에 해당된다.
그러므로 W±의 생존기간은 10^-25초로 극히 짧다.