[Aether 물리] #20 초끈이론 개요

매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.

지금까지 살펴본 소립자론은 우주의 4대 힘중 강력, 약력, 전자기력만 다루는 이론입니다. 우리가 가장 잘 알고 있는 중력은 쏙 빼놨죠. 왜냐하면 중력은 다른 힘들보다 크기가 매우 작습니다. 얼마나 작냐면 입자들 실험에서 발생하는 측정 오차보다도 더 작습니다. 그래서 소립자론에서는 중력을 고려할 필요가 없습니다.

하지만 물리학자들은 이런 걸 싫어하죠. 어떻게든 이론을 통합해서 원리로 만들고 싶어합니다. 아인슈타인도 전자기력과 중력을 통합하기 위해 부단히 애를 썼지만 성공하지 못했습니다.

강력, 약력, 전자기력은 표준 모형(standard model)이라는 이론으로 통합되었습니다. 하지만 이 마저도 모순점, 설명할 수 없는 점이 많습니다. 그래도 통합은 해야 하니깐 억지로 끼워 맞춰 놓은 상태입니다.

표준 모형을 식으로 나타내면 다음과 같습니다. 표준모형 라그랑지안이라고 합니다. 참고로 라그랑지안은 계의 운동을 기술하는 방법 중 하나로 다음과 같이 정의 됩니다.

L (라그랑지안) = T (운동에너지) - V (위치에너지)

이건 간단히 표시한 거고, 원래는 이런 식이라고 합니다.

표준 모형에 관해 자세한 것은 다음을 참고하세요. 별로 하고 싶지 않으시겠죠.
https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=sanghyup12&logNo=90151181762&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
https://namu.wiki/w/%ED%91%9C%EC%A4%80%20%EB%AA%A8%ED%98%95

끈이론

가브리엘레 베네치아노라는 입자물리학자가 입자간의 강력 결합세기를 서술하는 방정식을 찾았습니다. 그런데 알고 보디 그 식은 강력으로 상호작용 하면서 서로 가까이 접근한 두 개의 끈이 잠시동안 진동하다가 다시 멀어지는 모양을 서술한다는 사실을 발견하게 됩니다. 즉 입자들의 상호작용과정에서 뭔가 끈 같은게 수식 상에 나타난 것입니다. 여기서 발견된 것이 중력을 매개하는 graviton(중력자)입니다.

그동안 소립자론에서는 입자를 점으로 인식하고 이론을 세웠습니다. 질량이 한 점에 모여 있는 형태인 것이죠. 이런 경우 차원이 0입니다. 차원이라는 것은 확장할 수 있는 방향입니다. 점의 경우는 더이상 확장할 방향이 없습니다. 끈이론은 입자를 점으로 보지 않고, 끈으로 본 것입니다. 0차원 점에서 1차원 끈으로 입자를 보게 됩니다.

초끈이론 (super string theory)

끈이론을 확장시킨 것이 초끈이론입니다. 이름에 super가 붙어 있어서 훌륭한 끈이론이란 의미가 아닙니다. super의 '초'는 초대칭 (super symmetry)을 의미합니다. 물리학자들이 쓰는 대칭이란 개념은 조금 다릅니다. 이전글에서 게이지 대칭에서 잠시 알아봤듯이, 대칭이란 말은 어떤 다른 상황에서도 결과가 변하지 않는다는 것을 의미합니다. 이 때 대칭성이 있다고 얘기합니다.

초대칭이론은 기본입자들이 서로 대칭성을 허용하는 이론입니다. 즉 스핀이 정수인 보손과 1/2인 페르미온이 서로 바꿔서 생각할 수 있다는 것입니다. 초끈이론은 초대칭성이 없으면 성립하지 않습니다. 기존 표준모형의 모순점을 해결하기 위해 구원 등판 셈이죠. 초대칭성을 가정하면 몇 가지 심각한 모순점과 골치아픈 문제들이 해결됩니다. 표준모형이 너무 난잡하니 이렇게 해서라도 해결해야 하는 가 봅니다.

위 그림은 기본입자들과 대칭을 이루는 짝 입자들이 표시된 것입니다. 그런데 알고 계시죠? 기본입자들은 전하가 반대되는 짝들도 있다는 것을요? 전하가 반대가 되어 짝을 이루는 경우는 '반'을 사용했는데, 스핀의 경우는 '초'를 사용했습니다. 스핀이 반대가 되는 것도 아니고, 서로 다른 입자들이 짝을 이뤄야 하니 좀 과한 의미로 '초(super)'가 사용된게 아닌가 합니다.

그런데 초끈이론은 실험적으로 검증된게 거의 없습니다. 오죽하면 파인만은 초끈이론은 순 엉터리라고 얘기했을까요?
그리고, CENR의 강입자 충돌기를 통해서 힉스 발견 이후 5년동안 7천조번 이상의 양성자 충돌이 있었지만, 초대칭 입자의 흔적은 찾지 못했습니다. 이런 상황인데도 초끈이론이 주류 이론으로 여겨지고 있는 상황입니다.

어쨌든, 초끈이론에서 초끈의 길이는 10^-35m입니다. 쿼크 크기의 1억분의 1입니다. 초끈이론에서는 입자들이 특성이 끈의 진동수와 진동패턴에 따라 다르다고 얘기합니다. 진동수와 진동패턴에 따라 소립자론에서 얘기하는 특성들인 전하, 질량, 스핀이 결정된다고 하는 것이죠.

초끈이론에서 확실히 이해야 하는 점은, 끈이론에 초대칭성을 접목한 것이라는 것입니다. 끈이론은 물질을 이루는 기본이 입자가 아니라 1차원의 끈이라는 것을 의미하고, 초대칭은 기본입자들이 스핀 대칭성을 갖는 짝입자들을 가정하는 것입니다.

참고

소립자 물리학은 다음 책을 참고하였습니다.