소립자론의 기초론

소립자의 복잡한 현상 중에서 소립자의 행동에 법칙체계를 부여하고, 자연의 근본원칙을 구한다고 하는 소립자론의 과제를 추구하는 분야를 소립자의 기초론이라고 한다. 여기서는 소립자의 배후에 있는 근본법칙을 의식적으로 추구하는 것을 시도하고 있는 점에서는 현상론(現象論)보다도 우회하는 경우가 많다. 실제로 현상론으로 안이하게 가정될 수 있는 것을 전체의 체계로서 다시 생각하게 되기 때문이다.

이때 주목적이 되는 소립자의 통일적 관점에서 보면, 현상에서 볼 수 있는 이나 소립자가 가진 여러 가지 속성(屬性), 즉 ·스핀·패리티(parity:反轉性·偶奇性)·하전스핀·스트레인지니스(strangeness:奇妙度)·입자수 등도 왜 존재하는지 해명될 필요가 있다. 그러나 근본적 추구가 얼핏 보아 소용없는 일이라고 생각되지만 필요한 것은 소립자의 전체상은 단지 현상을 쌓아가는 것만으로는 구할 수 없고, 현상 사이의 관련만으로는 결정적인 예측을 할 수 없기 때문이다. 소립자의 기초론은 소립자의 통일이론이라고도 한다.

복합모형
소립자를 통일하기 위한 최초의 수단은 될 수 있는 대로 소수의 소립자를 선택해 다른 소립자를 이들의 복합물이라고 보는 일이다. 빛을 중성미자로부터 설명하는 이론,π중간자를 양성자·중성자로부터 구성하는 이론 등의 뒤를 이어 사카타[坂田]모형이 나왔다. 이 모형에서는 양성자·중성자·Λ입자를 기본입자로 하고, 대부분의 소립자를 복합물로 간주한다.

기본입자는 동등한 구실을 하는 점에 주목하면 기본입자로부터 만들어지는 복합물 사이에도 일정한 동등성이 생긴다. 이것은 소립자의 대칭성을 발견하는 동기가 되었다. M.겔만은 비교적 안정된 소립자가 양성자·중성자·Λ입자·Σ입자(양·음·중성)·Ξ입자(음·중성)의 8개가 있는 것에 주목하여 이것들을 동등하게 보는 현상론적인 대칭성(팔중도모형:eight fold way model)을 생각하였다. 이것은 현상과 잘 맞았다.

이것에서 역으로 생각하면 기본입자는 역시 3종이 되는데, 사카타모형과는 달리 관측되는 소립자와는 다르다고 보아서, 기본입자는 쿼크(quark)라고 이름하게 되었다. 쿼크는 아직 관측되지 않은 가공입자(架空粒子)이며, 쿼크의 법칙도 밝혀져 있지 않다. 경입자나 빛을 같은 이론으로 설명하기 위하여 중성미자 모형 등이 제창되었다.

원물질의 이론
소립자가 서로 전화하고 결코 분해되지 않는 사실로부터 생각하면 소립자의 배후에 공통된 소재(素材), 즉 원물질을 상정할 수도 있다. 소립자는 원물질이 형태를 취한 것이라고 볼 수 있다. 따라서 소립자의 법칙은 결국은 원물질의 법칙으로부터 생기는 것이라 하고, 원물질의 기본방정식을 출발점으로 하는 이론이 제창되었으며, 이것이 W.K.하이젠베르크의 일원론적 비선형장의 이론이다.

이 이론에서는 원물질은 스피너장(場)으로 기술되고 그것에 따르는 방정식은 여러 가지 현상이 일어날 수 있게 비선형으로 되어 있다. 소립자의 풍부한 내용을 설명하는 데는 방정식 이외에 진공이라든가 장의 양자적 성격 등에 여러 가지 성질을 도입할 필요가 있다. 원물질로부터 실제의 소립자를 유도하기까지에 복잡한 수속이 필요하다는 점, 비선형 해(解)가 상당히 간단한 경우에만 구할 수 있다는 점 등 많은 문제를 남기고 있다.

시공적 모형
현상론적 이론에서는 소립자의 시간·공간적인 크기는 고려되어 있지 않다. 소립자가 점상(點狀)인 것이라면 어떻게 그것들이 여러 가지 성질을 가지는가 등도 설명되지 않는다. 따라서 소립자에 시간·공간적 구조를 생각하여 그것으로부터 소립자의 성질을 통일적으로 파악하려고 하는 시도가 생긴다. 또 소립자이론을 만드는 장애가 되는 수학적 내부모순도 이것으로 피할 수 있다.

이론의 내부모순의 해결과 소립자의 다양한 존재와는 떼어버릴 수 없는 문제이며, 그것들을 소립자의 시간·공간적 구조로 해결하려고 하는 시도를 비국소장이론(非局所場理論:theory of nonlocal fields)이라고 한다. 그러나 그후에 밝혀진 소립자의 복잡한 양상은 간단한 비국소장으로는 다룰 수 없다.

그 때문에 소립자의 강체적(剛體的) 모형이나 탄성체적(彈性體的) 모형이 제창되고, 또 비국소장의 확장이론이 생각되고 있다. 소립자의 상호작용에 대해서는 거의 시도되고 있지 않은 점에서 아직 미완성 이론이지만, 소립자의 대칭성의 원인 해명이나 소립자반응의 메커니즘을 설명하는 데는 유력한 수단이 되고 있다.

소영역의 이론
소립자가 시간 ·공간적 구조를 가지는 것은 결국 시간이나 공간이 불가분할성(不可分割性)을 가지기 때문이라 생각되고 있다. 시공은 어떤 크기를 가진 소영역(素領域)으로 이루어지고, 소립자는 차례로 소영역을 옮겨가는 것이라는 이론인데, 이것도 장래에 많은 문제를 남기고 있다.