글루온
1. 개요
강력을 매개하는 게이지 보손. 이름처럼 강입자를 구성하는 쿼크를 풀로 붙인듯이 묶어놓는 역할을 한다. 질량, 전하, 스핀은 광자와 동일하다.
2. 성질
입자들이 $$ + $$와$$ - $$, 그리고 중성이라는 전하를 갖는 것과 비슷하게, 글루온은 색전하를 갖는다. 색전하의 색[1]은 $$ r $$, $$ g $$, $$ b $$의 세 가지로, 각각 반색을 갖는다. 글루온의 색전하, 그러니까 색은 각 색과 반색의 조합으로 이루어지므로 간단히 생각하면,
위와 같이 아홉 가지 색을 갖게 될 것이다. 실제로 색이 있는 게 아니라 rgb의 원리만 따와서 이름 붙인 것이다. 즉, 각각 r(-r) , g(-g) , b(-b)의 색전하를 갖는 입자들이, 위의 8가지 색의 글루온(원래는 9가지여야하지만, 현재는 8가지만 취급하고 있다. 나머지 하나는 후술.)으로 상호작용하면서, ''흰색''(색전하상의 흰색을 말하는것이다.)을 만드는 조합으로 결합하게 되는것이다. (예시: 양성자의 u(위)u(위)d(아래)쿼크조합에서 u(r) + u(g) + d(b) = p(white) 조합). 하지만 실제로는 여덟 가지의 색을 갖는다. 강한 상호작용을 하는 두 입자 사이에 $$ r $$색과 $$ g $$색이 교환되었을 경우, 이를 매개한 글루온이 $$ r \bar{g} $$거나 $$ g \bar{r} $$일 확률은 반반으로 같기 때문에, 글루온의 색은 $$ \left( r \bar{g} + g \bar{r} \right) / \sqrt{2} $$와 같이 표시되기 때문이다. 이러한 결합을 고려하면 가능한 글루온의 색은 다음과 같은 8종류이다. 이것을 유도하기 위해서는 군론에서의 $$ SU(3) $$ 대칭성의 이해가 필요하다.
맨 아랫줄에 색과 반색이 같은 세가지 글루온이 결합하는 방식을 두 종류 제시하였는데, 이론적인 전개에 따라서는 $$ U(1) $$ 대칭성의 결과물인 $$ \left( r \bar{r} + g \bar{g} + b \bar{b} \right) / \sqrt{3} $$으로 표현되는 글루온이 하나 더 존재할 수도 있다. 이러한 글루온은 완전한 '''무색'''이므로 원자핵 바깥을 자유로이 돌아다닐 수 있어야 한다. 덧붙여서 이런 상태의 가상의 입자를 글루볼(glueball)이라고 한다. 존재한다는 가정하에서는 두 개의 파이온(pion)으로 붕괴할 확률이 높다고 알려져 있지만 발견된 적 없다. 그러한 입자가 관측되지 않으므로 현재의 표준모형은 무색 글루온을 배제한 8개의 글루온만을 포함한다.
여담이지만, 물리학자들은 예전부터 입자의 이름을 지을 때는 그리스 문자에서 모티브를 따왔는데(당장 뮤온이나 타우온 등을 생각해보자), 슬슬 미국학자들의 후리한 마인드가 강해지다보니 쿼크나 글루온같이 영어에서 따오는 분위기가 형성되었다. 글루온의 의미는 대충 봐도 알만한 '''입자와 입자 사이를 이어 준다고 glue'''[2]로 이름을 지었다...
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위 그림은 독일 DESY의 Petra 가속기의 검출기들 중 하나인 TASSO 검출기에서 얻은 한 이벤트를 그린 사진이다. 1979년도 실험에서 얻은 이 사진은 글루온의 존재 증거 중 하나로 여겨진다. 참고로 글루온 존재의 첫 번째 증거는 바로 전년도인 1978년에 같은 독일 DESY의 PLUTO 실험에서 처음 보여졌다고 한다. Petra 가속기에서는 전자와 양전자를 충돌시켜 얻은 반응을 보는 실험을 진행하였는데, 위 그림에서 나타난 입자들은 모두 강입자들이다. 이로부터 위 이벤트에서 적어도 쿼크 한 쌍이 생겨났다는 것을 알 수 있다. 그리고 입자 가속기에서 생성된 고에너지 쿼크들은 보통 위와 같이 제트(jet), 즉 입자들의 묶음으로 분화되어 검출기에 찍히는 것이다.[3] 그런데 위 그림을 보면 제트가 3개가 있다는 것을 볼 수 있다. 이는 강한 상호작용을 하는 또다른 고에너지 입자가 생겼다는 것인데, 처음에 전자와 양전자 뿐, 쿼크가 아예 없었으므로 반응 후 쿼크의 개수는 (반쿼크의 개수를 -로 치면) 0로 보존되어야 하므로 또 하나의 제트는 쿼크로부터 온 게 아니라는 것을 알 수 있다. 단 한 가지 가능성이라면 앞서 생성된 쿼크 한 쌍에서 고에너지 글루온이 방출되는 경우 뿐이다. 글루온 역시 쿼크와 마찬가지로 단독으로는 절대 볼 수 없고 반드시 강입자들로만 볼 수밖에 없기 때문에 그렇다. 더욱이 글루온은 쌍으로 생성될 필요도 없다. 따라서 이 그림은 글루온이 존재한다는 결정적인 증거인 셈이다. 통계적으로도 충분한 양의 이벤트들을 모은 것은 물론이다.
[1] 주의할 점은, 이 문서에서 쓰이는 '색'이라는 용어는 입자의 실제 색깔이 아닌 입자의 특성을 말하는 것이다. 일단 가시광선의 파장보다 작은 물체가 색을 띨 수는 없으니...[2] 덕분에 한국어 번역명도 '''풀 입자'''(...)이다. 몇몇 서적에서는 '''접착자'''로 번역하기도 한다. [3] 쿼크의 속박(quark confinement)으로 인해 단독 쿼크는 절대 볼 수 없고 오로지 이들로부터 떼로 생성된 강입자들(과 추가로 생성되는 전자, 뮤온들)을 볼 수 있을 뿐이다.