How big is 약력의 작용 범위?

약력은 자연의 네 가지 기본 힘 중 하나이며, 매우 짧은 거리에서만 작용한다. 약력의 작용 범위, 곧 이 힘이 미칠 수 있는 거리는 약 10⁻¹⁸미터, 즉 1아토미터이다. 이는 양성자 지름의 1,000분의 1에 못 미친다.

거리

1아토미터는 10⁻¹⁸미터로, 1미터의 10억분의 1의 10억분의 1이다. 10⁻¹⁸이라는 표기는 1을, 1 뒤에 0이 18개 붙은 수로 나눈 값을 뜻한다. 이 범위는 누군가 기구로 측정한 경계가 아니다. 힘을 전달하는 입자의 질량에서 도출한 추정값이다.

약력은 W 보손과 Z 보손이라는 입자가 전달한다. 이 입자들은 무겁다. W 보손의 질량은 양성자의 약 86배이고, Z 보손은 약 97배이다. 양자물리학에서는 힘을 전달하는 입자가 아주 짧은 순간 동안만 존재할 수 있으며, 입자가 무거울수록 그 순간은 더 짧다.

W 보손은 빛의 속도에 가깝게 움직여도 그 시간 동안 약 2 × 10⁻¹⁸미터밖에 나아가지 못한다고 교재 University Physics Volume 3은 설명한다. 유럽의 입자물리학 연구소인 CERN은 이 범위를 약 10⁻¹⁸미터로 어림한다. CERN은 또 양성자 하나의 반지름보다 먼 곳에서는 이 힘이 완전히 사라진다고 덧붙인다.

크기 비교

양성자는 지름이 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)로, 약력의 작용 범위의 약 1,700배이다.
양성자와 중성자 안에서 쿼크를 묶어 두는 강력은 약 10⁻¹⁵미터까지 미치며, 이는 약력의 약 1,000배 거리이다.
실험에 따르면 쿼크는 크기가 있다 하더라도 지름이 약 8.6 × 10⁻¹⁹미터보다 작으며, 이는 약력의 작용 범위에 조금 못 미친다.
약력의 작용 범위를 사람 머리카락 굵기인 약 0.1밀리미터로 확대한다면, 양성자는 지름이 약 17센티미터, 수소 원자는 지름이 약 11킬로미터일 것이다.

약력이 하는 일

약력은 한 종류의 쿼크를 다른 종류로 바꿀 수 있다. 방사성 붕괴의 한 종류인 베타 붕괴에서 중성자가 양성자로 바뀌는 것이 바로 이 과정이다. 중성자는 W 보손을 내놓고 양성자가 되며, W 보손은 곧 전자와 반중성미자로 바뀐다.

약력은 양성자를 중성자로 바꿀 수도 있다. 이 변화는 태양에 에너지를 공급하는 핵융합의 첫 단계에서 일어난다. 양성자 두 개가 결합하고 그중 하나가 중성자가 되어, 수소의 무거운 형태인 중수소가 만들어진다. 중성미자는 약력과 중력만 느끼며, 대부분은 막히지 않고 행성 전체를 통과한다.

이름은 약력이지만 이 힘은 중력보다 훨씬 강하다. CERN은 약력이 본질적으로 전자기력만큼 강하며, 무거운 W 보손과 Z 보손이 그 힘이 미치는 거리를 제한하기 때문에 약해 보인다고 설명한다.

W 보손과 Z 보손의 발견

엔리코 페르미는 1933년에 약력에 관한 최초의 이론을 내놓았다. 1960년대에 셸던 글래쇼, 압두스 살람, 스티븐 와인버그는 약력과 전자기력이 하나의 전약력이 지닌 두 가지 형태라고 제안했다. 이들의 이론은 W 보손과 Z 보손을 예측했고, 앞선 실험 결과와 결합해 두 보손의 질량도 예측했다.

이 보손들을 만들기 위해 CERN의 물리학자들은 연구소에서 가장 큰 가속기를 양성자와 반양성자를 충돌시키는 장치로 바꾸었다. UA1과 UA2 실험은 예측된 질량을 지닌 두 입자를 1983년에 그곳에서 처음으로 관측했다. 카를로 루비아와 시몬 판데르메이르는 이 발견으로 1984년 노벨 물리학상을 받았다.