보존

보존이란 자연을 구성하는 기본 입자를 두 종류로 나눌 때 보스-아인슈타인 통계(Bose-Einstein statistics)를 따르는 입자를 말한다. 상대론적 양자 역학을 발견한 디랙(Paul Dirac)이 인도의 물리학자 보즈(Satyendra Bose)의 이름을 따서 보존(boson)이라 명명하였으며, 광자(photon), 포논(phonon) 등이 그러한 입자이다.

목차

보존은 정수의 스핀 양자수를 가지고 대칭의 파동함수로 기술되며, 파울리의 배타 원리(Pauli’s principle)를 따르지 않는다. 즉, 두 개 이상의 보존 입자는 같은 양자 상태가 될 수 있다. 예를 들어 보존으로 분류되는 광자의 경우, 같은 파장과 위상을 가진 많은 광자가 같은 장소에 동시에 존재할 수 있고, 레이저(laser)는 이를 응용한 예라고 할 수 있다. 반대의 개념으로 페르미온은 반정수의 스핀 양자수를 가지고 파울리의 배타 원리를 따른다.

보존은 낮은 온도에서 보즈-아인슈타인 응축과 같은 특이한 성질을 보인다. 여러 연구자가 이에 관한 실험과 이론적 연구를 수행하였는데, 1995년 미국의 과학자 에릭 코넬(Eric Cornell)과 칼 와이먼(Carl Wieman)은 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{87}Rb }@@NAMATH_INLINE@@ 원자 수천 개가 뭉쳐진 보즈-아인슈타인 응축물을 실현하였다. 약 4개월 후 독일의 물리학자 볼프강 케털리(Wolfgang Ketterle)는 그들과는 독립적으로 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{23}Na }@@NAMATH_INLINE@@원자 뭉치로 이루어진 보즈-아인슈타인 응축물을 만들었다. 이들은 이에 관한 공로로 2001년 노벨 물리학상을 공동으로 받았다.

자연계의 보존은 크게 기본 보존과 합성 보존으로 나눌 수 있다.

스핀 양자수에 따라 스핀 양자수가 0인 입자는 스칼라 보존, 1인 입자는 벡터 보존, 2인 입자는 중력자로 불린다. 이들 중 게이지(gauge) 이론에 따라 정의되는 보존 입자를 게이지 보존이라고 부르며, 게이지 보존은 1, 2의 스핀 양자수를 가지며 기본 상호작용에 관여한다고 알려져 있다. 광자, W/Z보존, 글루온(gluon)이 게이지 보존으로 분류된다. 한편, 스핀이 0인 스칼라 보존의 예로는 힉스(higgs) 입자가 있다.

짝수 개의 페르미온 또는 보존이 합성 보존을 구성할 수 있으며, 그 예로는 중간자를 들 수 있다.

어떤 원자나 분자가 보존인지 페르미온인지는 그에 속한 모든 입자를 고려하여 결정한다. 즉, 그 입자에 있는 전자, 양성자, 중성자를 모두 합한 수가 짝수이면 보존이고, 홀수이면 페르미온이다.

예를 들어 최초로 보즈-아인슈타인 응축물로 만들어진 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{87}Rb }@@NAMATH_INLINE@@원자에는 전자가 37개, 양성자가 37개, 중성자가 40개, 모두 114개가 있음으로 보존이다. @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{23}Na }@@NAMATH_INLINE@@원자에는 전자가 11개, 양성자가 11개, 중성자가 12개, 모두 34개로 보존이다. @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ^{1}H }@@NAMATH_INLINE@@원자에는 전자가 1개, 양성자가 1개, 모두 2개로 보존이다.