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핵자들은 약한 핵력에 의한 방사능으로 알려진 과정을 통해 자연적으로 분할 또는 붕괴된다.

방사능의 한 종류인 베타 붕괴는 1890년대 후반부터 알려졌지만 방사능 과정중에 어떠한 일이 일어나는가를 올바로 이해하기 시작한 것은 1932년 중성자의 발견 후이다. 전형적인 방사선 붕괴인 베타 붕괴에서 중성자는 양성자로 변환하며 연속적인 에너지 분포를 갖는 베타 선(전자)을 방출한다. 이 현상은 에너지, 운동량 및 회전 운동량들이 기본적인 보존 법칙과 모순되는 것이어서 한동안 문제점으로 남아 있었다.

1931년 파울리는 아주 가볍고 그때까지 발견되지 않은 새로운 입자의 존재를 가정함으로써 이 문제를 해결했다. 베타 붕괴 과정에서 모자라는 에너지·운동량은 E. 페르미에 의하여 중성미자라고 명명된 이 새로운 원자구성입자의 몫이었던 것이다.

1934년 페르미는 중성자에 의한 전자와 중성미자의 방출을 하전된 입자에 의한 광자의 방출과 같다고 보고 양자 전기역학을 본뜬 베타 붕괴에 관한 이론을 발표했다.

페르미의 이론은 베타 붕괴를 기술하는 데 대단히 성공적임이 밝혀졌고 1940년대말 파이온과 뮤온과의 관계가 알려짐에 따라 확고한 지지를 받게 되었다. 특히 뮤온의 붕괴는 중성자의 양성자로의 붕괴와 기본적으로 같은 과정으로 전자와 두 중성미자로 붕괴한다는 것이 밝혀졌다. 강한 핵력과는 달리 가벼운 입자(경입자)와 무거운 입자(강입자)에 똑같이 적용된다는 '보편적인' 약한 핵력이라는 개념이 탄생하게 된 것이다.

약한 핵력의 본질은 1956년 기묘 입자들의 붕괴에 있어서의 문제점들을 해결하려고 노력하던 리정다오[李政道]와 양전닝의 연구 결과로 밝혀지기 시작했다.

그들은 약한 핵력이 반전성(parity)이라는 대칭성을 지키지 않으면 모순점들을 해결할 수 있음을 알았다. 반전연산이라는 거울에 물체를 반사시키는 것처럼 모든 임의의 점(x, y, z)을 그와의 대칭점(-x, -y, -z)으로 변환시키는 조작을 말한다.

물리학자들은 그러한 조작은 물리법칙에 영향을 미치지 않는다고 늘 가정했었다. 그러나 리와 양은 약한 핵력은 이점에 있어서 예외라고 주장하고 약한 핵작용에서 반전성 파기를 관측할 수 있는 방법을 제시했다. 1957년 리와 양의 논문이 출간된 지 몇 개월 후에 중성자·파이온·뮤온이 관련된 실험에서 약한 핵력은 실제로 반전성에 위반된다는 것이 확인되었다.

약한 핵력의 반전성 위반과 보편성의 개념은 1958년 머리 겔만과 리처드 파인먼에 의하여 하나의 이론으로 결합되었다.

그들은 약한 핵작용의 수학적 구조를 소위 V-A 이론(vector minus axial vector theory)에서 정립시켰다. 이 이론은 적어도 1960년대의 물리학자들에게 가능했던 비교적 낮은 에너지 영역에서 대단한 실험적 성공을 거두었다. 이 이론은 반전성 위반을 설명하기 위한 올바른 수학적 구조를 갖고 있음은 틀림없었으나 그당시 실험에서 도달할 수 있는 이상의 에너지 영역에서는 크게 빗나갈 것이라는 강한 암시가 있었다.

오스카 클라인은 강한 핵력에서처럼 V-A 이론에 약한 핵력을 전달하는 입자를 도입할 것을 제안했다.

그는 베타 붕괴에서 방출되는 중성미자와 전자에 올바른 스핀 양자수를 주기 위해서는 전달자의 스핀은 1이어야 하고 베타 붕괴에서 알려진 약력의 크기로부터 전달자의 질량은 양성자의 100배 정도된다는 것을 예측했다. 그러나 이러한 입자를 V-A 이론에 도입하려는 모든 시도들은 1930년대와 1940년대초에 양자 전기역학에 제기되었던 것과 유사한 대단히 어려운 문제점에 부딪힌다.

유사한 양자 전기역학에서의 문제점을 해결했던 재규격화(renormalization)를 적용할 수 없었기 때문이다.

1960년대초 셀든 글래쇼, 압두스 살람, 존 오르드는 전자기 상호작용과 약한 핵 상호작용을 통합해서 설명하기 위하여 SU(2)×U(1)으로 주어지는 두 대칭군의 조합을 연구하기 시작했다.

이와 같은 대칭에는 스핀 1인 전달 입자가 4개 필요하다. 그중 둘은 전기적으로 중성이고 둘은 전하를 갖고 있다. 중성인 입자중 하나는 광자로 볼 수 있으며 전하를 띤 두 입자들은 전하의 변화가 있는 약한 상호작용 현상, 즉 베타 붕괴를 야기하는 전달자들로 볼 수 있다. 4번째 전달자, 즉 2번째 중성입자는 그당시는 아무런 역할을 하지 않는 듯이 보였다. 그 입자가 야기하는 소위 중성류 상호작용(neutral current interaction)이라고 하는 전하의 변화가 없는 약한 상호작용이 그때까지는 관측되지 않았던 것이다.

그러나 그들 이론에서의 전달자들은 광자와 같이 질량을 갖고 있지 않아 아직 약한 핵력의 전달자로서는 부적합한 점이 있었다.

1960년대말 살람과 스티븐 와인버그는 근본적으로는 게이지 대칭성을 유지하면서도 질량을 갖는 매개자들을 이론에 도입할 수 있는 방법을 찾아냈다. 그 해답은 피터 힉스의 대칭깨기(symmetry breaking) 또는 숨은 대칭(hidden symmetry)의 개념에서 찾을 수 있었다. 살람과 와인버그는 스핀이 0인 하나 또는 둘인 힉스 입자라는 새로운 입자를 이론에 도입함으로써 이를 성취할 수 있었다.

1971년 헤라르트 호프트가 이 이론의 재규격화가 가능한 것을 증명함으로써 입자물리학자들은 저에너지 영역에서는 V-A 이론과 일치하는 이 전기약상호작용론을 적어도 약한 핵력에 대한 수용할 수 있는 이론으로 확신하게 되었다.

전기약상호작용론은 그때까지는 관측되지 않았던 새로운 중성류 반응, 즉 전하의 변환이 없는 약한 핵작용을 예언하고 있어서 그에 대한 검증은 중요한 관심사가 되었다.

첫번째 중성류의 신호는 1973년 제네바 근교에 있는 유럽 원자핵공동연구소(European Organization for Nuclear Research/CERN)의 실험에서부터 왔다. 50여 명의 물리학자로 구성된 연구진은 가가멜리(Gargamelle)라고 하는 거품상자가 뮤온 반중성미자빔에 노출되었을 때 생긴 궤적들을 면밀히 조사했다.

중성류 반응에서 반중성미자는 단순히 거품상자의 내용액에 있는 전자에 의한 산란만 할 것이다. 입사되는 반중성미자는 전하를 띠지 않기 때문에 궤적을 남기지 않을 것이고 전자에 의하여 산란된 후 거품상자 밖으로 나갈 때도 역시 궤적을 남기지 않을 것이다. 그러나 중성류의 효과, 즉 전자와 중성미자 사이의 Z⁰의 교환은 전자를 움직일 것이다. 전자는 전하를 띠고 있으므로 궤적을 남길 것이고 그 궤적은 어디선가 갑자기 나타난 듯이 보일 것이다.

연구원들은 약 140만 장의 사진에서 오직 3개의 그러한 중성류 반응을 발견했으나 전기약작용론의 타당성에 대한 기대를 심어주기에는 충분했었다.

1970년대말에는 전하류(charged current)와 중성류 반응에 대한 충분히 많은 실험적 사실이 알려져 전기약작용론의 약력 매개자들의 질량들을 예측할 수 있게 되었다. 전하를 띤 W^＋와 W^－의 질량은 약 80GeV, 중성인 Z⁰의 질량은 약 90GeV로 추측되었다.

곧 CERN에서 W와 Z 입자를 발견하려는 계획도 수립되었다. 계획은 CERN의 가장 큰 양성자 싱크로트론에 한 방향으로는 양성자를 그와 반대 반향으로는 반양성자를 가속시켜서 적당한 에너지에 이르면 정면 충돌시킨다는 것이었다. 각각 270GeV의 에너지를 갖는 양성자와 반양성자의 충돌에서 얻어지는 총에너지는 적은 수이기는 하지만 W와 Z 입자들을 생성시키기에는 충분했다.

1983년 UA1과 UA2로 명명된 2개의 실험에서 연구하던 연구원들은 고대했던 입자들을 발견했다. 생성된 W와 Z 입자들은 검출기 내에서 궤적을 남길 정도의 긴 수명을 갖지 않았지만 궤적을 남기는 입자들로 붕괴하여 그 존재를 확인할 수 있었다. 이론이 예측한 대로 그 붕괴 입자들의 총에너지의 합은 W와 Z 입자들의 질량과 일치했다.

이것은 수백 명의 물리학자들과 공학기술자들이 거둔 CERN과 전기약작용론을 위한 승리였다.