소립자론과 현상론

에 관한 지식은 급속하게 집적되고 있다. 거대가속기 등이 막대한 경험 사실을 도출해 내고 있기 때문이다. 우선 필요한 것은 그 지식 상호간의 관련과 거기에서 얻은 중요한 결론을 정리하여 소립자의 기본법칙을 만드는 기초를 세우는 작업이다. 이 목적을 위하여 현상론적 이론이라는 분야가 생겼다.

전자기현상의 이론
전자와 광자가 상호작용을 하고 있는 계(系)의 이론을 양자전기역학(量子電氣力學)이라고 한다. 제2차 세계대전 후 급속하게 발전한 양자전기역학은 수소원자 스펙트럼의 램이동이나 전자의 이상(異常)자기모멘트에 대하여 실험값과 거의 같은 답이 나왔다. 그것이 성공한 이유는 전자와 빛이 관여하는 현상이 다른 소립자로부터 비교적 고립되어 있기 때문이다. 그러나 이 이론에도 몇 가지 결점이 있다. 전자의 질량이나 전기량은 전자나 빛의 가상적 생성·소멸에 의한 반작용을 고려하면 답은 유한(有限)이 되지 않는다. 이것은 앞서 설명한 수학적 내부모순의 하나이다. 이것은 이상에서 설명한 실험값을 구하는 경우에 중대한 장애가 되었다.

도모나가신이치로[朝永振一郞]와 J.S.슈윙거는 재규격화이론에 의해 이들의 결점을 분리하여 실험값을 설명하는 데 성공했다. 그러나 전자의 질량이나 전기량이 무한대가 된다는 것이 기묘하다. 아마 이 문제에 관한 한, 양자전기역학은 전자와 빛만으로 고립시켜 생각하는 체계여서는 안 된다고 생각된다. 양성자와 중성자의 질량차, 양성자의 전자기적 구조, 공명중간자의 붕괴 등 전자기적상호작용에 관계되는 현상은 많다. 또 전자와 똑같이 행동하는 μ중간자가 왜 질량만이 전자의 200배나 무거운가 등, 이들 소립자에 주로 작용하는 것은 전자기적상호작용이므로 이것도 앞으로의 양자전기역학의 발전을 기다려야 하는 남겨진 문제이다.

S행렬이론
경입자(렙톤)와 광자를 제외한 소립자는 전자기적 상호작용보다도 훨씬 강한 상호작용에 의하여 산란이나 생성·소멸, 일부에서는 붕괴를 하고 있다. 이들 현상에서의 소립자 상호 관련은 특히 중요하다. 이것을 다루기 위해서는 분산공식의 이론이 유력한 수단으로 개발되었다. 이 이론은 근본법칙을 알아내려는 목표보다도 현상의 상호관련을 알아내는 것을 당면한 목적으로 하고 있다. 소립자 현상은 시간적으로 처음에 있었던 소립자 짝의 상태가 마지막에는 어떤 소립자 짝의 상태로 변하는가를 알아보는 것이 되는데, 그러기 위하여 편리한 수단이 되는 것은 산란행렬 즉 S행렬이다.

S행렬을 정하는 것을 산란진폭이라고 한다. 산란진폭은 에너지(운동량도 포함한다)나 각운동량의 실함수인데, 그 성질은 이들 변수의 복소함수라고 확장시켜 생각하면 보다 명료하게 된다. 그럴 경우 소립자에 상당하는 것은 생각하고 있는 복소평면상에서의 산란진폭의 극(極:pole)으로 표시되므로 산란진폭을 알게 되면 극으로 소립자의 존재가 결정되며, 역으로 소립자의 극 위치로부터 산란진폭이 결정된다. 그러기 위해서는 해석접속(解析接續)이라는 절차가 중요하며, 갑(甲)이라는 현상에서 소립자 A의 극으로부터 산란진폭을 정하고, 을(乙)이라는 현상에 해석접속시켜 주면 그 현상에서의 소립자 B의 존재를 알 수 있게 된다. 즉, 갑과 을의 현상이 결부되고 소립자 B가 소립자 A로부터 결정되는 것이다.

그 분석 결과, 각운동량에 관계하여 연속적으로 작용하는 레제폴이론(Regge pole theory:레제가설)에 도달하였다. 이것은 스핀과 질량이 다른 일련의 소립자가 레제폴이라는 형식으로 서로 관련되어 통일된다는 중요한 결과를 낳았다. 이 사실은 실험적으로도 대략 지지를 받고 있다. 또 소립자 현상을 단적으로 나타내는 산란진폭의 베네치아노공식이 발견되었다.

약한 상호작용의 이론
소립자의 거의 대부분은 짧은 시간 안에 붕괴한다. 양성자·전자·중성미자와 같이 안정하고 붕괴하지 않는 것, 거꾸로 대단히 빨리 붕괴하기 때문에 반응과정 사이에서만 존재하는 공명상태의 소립자를 제외하면 소립자는 약한 상호작용에 의하여 붕괴한다고 생각된다. 그 상호작용은 전자기적 상호작용에 비교해 훨씬 작다. 이들 현상은 얼핏 보아 간단하게 보이지만 여러 가지 기묘한 특징을 나타내고 있다.