약력

약력(weak force)은 약한 상호작용 또는 약한 핵력이라고도 부르며 자연의 네 가지 기본상호작용 중 하나이다. 입자 물리학의 표준 모형에서 약한 상호작용은 W와 Z보손을 주고받으면서 일어난다. 약한 상호작용은 베타 붕괴(원자핵에서의 중성자가 양성자로 바뀌는 현상이 한 예)에서 찾아볼 수 있다. 약력의 '약'은 약력장의 세기가 강력장의 세기보다 10¹³배 약한 데에서 기인한다. 그러나 약력은 짧은 거리에서는 중력보다 세다.

상세

게이지 보손인 W⁺, W⁻ 및 Z₀가 매개하는 힘으로, 자연계의 네 가지 기본 상호작용 중 하나이다.

베타 붕괴(β- decay)에 관여한다. 탄소 동위원소 반감기를 이용한 연대측정법은 이 현상을 이용하는 것이다. 당연히 베타 붕괴의 역반응과 같은 뉴트리노 포획에 의한 역베타 붕괴, 뮤온 포획 등에도 관여한다.

네 가지 상호작용이 모두 작용할 수 있는 거리 내에서 힘의 세기는 세 번째로, 중력보다 10²⁷배 강하며 전자기력보다 10¹¹배 약하다. 1934년 엔리코 페르미가 만든 약력 이론에서 약력의 세기는 충돌에너지의 크기의 제곱에 비례한다. 페르미 약력 이론에 따르면 약력의 세기는 페르미 상수(GF)와 일반적인 핵에너지의 크기 ε∼0.1MeV 에 대해 α=GFℇ²~ 10⁻¹³이라는 전자기력(1/137) 보다 10¹¹배 작고 핵력보다는 10¹³배나 작은 값으로 나타난다. 이렇듯 강한 핵력과 비교했을 때 매우 약한 힘이기 때문에 약력이라는 이름으로 불리게 되었다. 사실 약력은 근본적으로 그렇게 약한 힘은 아니다. 반응하는 에너지가 증가하면 약력의 세기도 커지기 때문이다. 표준모형에서 페르미 상수는 GF = 1. √2g²⍵/8m²W로 표현되며 이를 통해 구할 수 있는 약력의 결합 상수(Coupling constant) αW = g²⍵/4π는 1/29.5로 전자기력의 1/137보다도 크다. 그런데도 상호작용이 작은 이유는 힘을 전달하는 입자들이 큰 질량을 가지고 있어서 낮은 에너지의 반응에선 힘을 전달하는 입자가 나타날 확률이 작기 때문이다.

약한 상호작용을 볼 수 있는 대표적인 현상은 베타 붕괴다. 뉴트리노에서 W⁺가 방출되어 중성자로 이동하면, 뉴트리노는 전자로 바뀌고, up 쿼크 하나와 down 쿼크 둘로 이루어진 중성자는 up 쿼크 2개와 down 쿼크 하나로 이루어진 양성자가 된다. 이 현상으로 인해 양성자 6개, 중성자 8개인 탄소 원자핵은 양성자 7개, 중성자 7개인 질소 원자핵으로 변한다. 반대로 핵융합에서는 양성자만 2개 있는 원자핵은 전자 대신 양전자를 내뱉고 양성자와 중성자가 하나씩 있는 중수소 원자핵으로 변한다. 양성자-양성자 연쇄 반응의 도화선 역할을 하는 힘이라, 이 힘이 없으면 경수소 2개로 어떻게 중수소 하나를 만드는지를 설명하지 못한다.

패리티 (Parity. 행렬 변환에서 부호의 변화 여부. 간단히 말하자면 '왼쪽과 오른쪽은 같은가?')가 보존되지 않는 현상이 처음으로 제기되기도 했다. 즉, 거울 안에서 약력이 작용하는 현상을 관찰하면 거울 밖에서와 다르게 보인다. 약력을 제외한 다른 힘들은 현재까지는 거울 안과 밖을 구분할 수 없다고 알려져 있다. 게다가 약력은 CP 대칭성 또한 위반한다. 약력이 CP 대칭성을 위반하는 현상은 케이온의 붕괴 등을 통해 확인할 수 있다.

기본적으로는 쿼크에 작용하여 t→b + W⁺, c→s + W⁺, d→u + W⁻의 변동이 가장 많이 일어나며, 그 다음이 c→d + W⁺. 그 다음이 s→u + W⁻ 순의 변동이 잦다. t→s or d + W⁺나 b→c or u + W⁻도 일어난다고 예견은 되어 있지만 확률이 매우 낮다.

Z⁰의 경우는 중성미자와 연관된 중성 흐름에 관여한다.

참고자료

• 〈약력〉, 《나무위키》
• 〈약한 상호작용〉, 《위키백과》

같이 보기

• 핵력
• 강력
• 중력
• 전자기력
• 베타붕괴

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