액시온
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액시온(axion)은 양자색역학의 강한 상호작용의 CP 문제(strong-CP problem)를 해결하기 위해 Peccei-Quinn 이론이 가정한 가상의 입자이다.
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[편집] 강한 상호작용의 CP문제
표준모형의 정의에 따라 재규격화가 가능한 모든 항을 써보면, 흔히 우리가 알고 있는 각 입자들의 상호작용과 더불어 다음과 같은 항을 쓸 수 있다.
- θεμνρσFμνFρσ.
(정확하게 말하면, 카이랄 회전을 통해, 쿼크와 렙톤의 유카와 항이 가지고 있는 CP 지수를 이 θ에 흡수시킬 수 있다.)
이 항은 공간의 방향을 반대로 하는 패리티 대칭(parity, P)를 깨며, 입자와 반입자를 바꾸어주는 전하 켤례(charge conjugation, C) 대칭까지 합한 CP도 깬다. CP를 깨는 정도는 이 항의 계수 θ와 관계가 있고, 가령 중성자의 쌍극자를 관찰하면 잴 수 있는 값인데, 아직 관측되지 않았으며 적절한 자연단위를 택할 때 10-9보다 작아야 한다. 이 계수가 왜 이렇게 작은가 하는 문제가 강한 상호작용의 CP문제이다.
[편집] 액시온
페차이와 퀸은 이 θ가 어떤 입자의 기대값이고, 다른 항은 CP를 보존하고 이 항만이 CP를 깨는 항이라면, </math>\theta</math>가 0인 것이 포텐샬의 최소값임을 보였다. 이 입자를 액시온(axion)이라고 한다. 액시온이라는 이름은 Frank Wilczek이 세제의 이름을 따 온 것이다. 액시온이 모든 문제(CP를 깨는 지수)를 말끔히 씻어주기 때문이다.
이러한 상호작용은, 비정상(anomaly) 항과 관계가 있다. 액시온을 포함하는 이 상호작용은, 비정상인 전역 대칭(global symmetry)가 깨지면서 생길 수 있다.
[편집] 성질
액시온은 전하를 가지지 않고, 10-6에서 10-2 eV/c2정도의 매우 적은 질량을 가진 것으로 추정된다. 또한 강한 상호작용과 약한 상호작용에 대해 매우 낮은 상호작용 단면적을 가진 것으로 생각된다. 그러므로 관측이 매우 힘들며, 현재 태양의 중심핵으로 부터 방출되는 액시온을 관측하기 위한 CAST 실험이 진행중이다.
액시온 이론은, 빅뱅 과정 중에 액시온이 엄청나게 많이 생성되었다고 설명한다. 하지만 우주 팽창에 이은 질량 생성 과정 중에 상당한 양의 운동 마찰력이 생기게 되며, 이는 모든 원시 액시온으로부터 운동 에너지를 흡수해간다. 그러므로, 액시온 이론은 우주는 원시 액시온의 매우 차가운 응축물로 가득차 있을 것이라고 예측한다. 원시 액시온의 질량에 따라, 액시온 이론은 우주학에서의 암흑물질 문제를 적절하게 설명한다. 암흑물질인 액시온을 관측하기 위한 연구는 진행 중에 있지만, 액시온이 있을만한 위치의 질량 영역을 감지할 수 있을 정도로 민감한 관측이 아직 부족한 상황이다. 이제까지의 연구는 높은 질량을 가지는 액시온의 존재 가능성을 일축한다.
액시온은 또한 끈 이론의 필수 요소이다.
