여분 차원

07 Feb 2022 •

Book

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리사-랜들

일단, 그 유명한 리사 랜들을 영상으로 볼 수 있어서 좋았다. 크… 포스 넘치고 목소리도 넘나 멋지심. 다양한 물리 영역을 이야기 했는데, 한정된 시간 때문에 깊게 다루지는 못했지만, 그래도 리사가 언급한 그 깊이까지는 잘 이해한 것 같다. 여분의 차원을 가정하고, 중력은 그 여분의 차원에서만 강하게 작용한다고 생각하면, 우리가 존재하는 차원에서 중력이 이렇게까지 약한 이유를 설명할 수 있다는 것. 플러스, 기타 다른 가설들을 모순 없이 설명할 수 있다는 것이다. 모든 내용이 흥미로웠고, 양자장론이라는 것을 좀 더 알아보고 싶어졌다.

여분 차원
- 랜들-선드럼 모형
- 5차원 시공간이 특수한 형태로 휘어진 물리 모형
- 4차원 시공간 외에도 여분 차원이 하나 더 있다는 것
여분 차원의 개연성
- 물리학적 가능성
- 이론적 일관성
- 기존 연구와의 연결성
여분 차원을 왜 생각하게 되었나
- 초끈 이론
  - 진동하고 있는 끈이 모든 입자의 근본 모습이라는 가설
  - 양자역학과 중력을 통합
  - 초끈의 크기는 10의 -35승 미터로, 쿼크보다 1억 배 이상 작다
  - 여분 차원이 존재해야 설명됨
  - 일상 생활에서는 볼 수 없다. 높은 에너지 상에서만 확인할 수 있다
- 일반 상대성 이론은 모든 차원에 적용할 수 있다
- 표준 모형
  - 알려진 모든 입자 사이의 상호작용을 기술하는 유효 이론
여분 차원을 이해하는 방법
- 낮은 차원에서 대상의 그림자를 보고 실체를 추론해 본다
  - 사영, 단면 자르기
- 수학
입자 물리학은 미시 세계, 거시 세계를 모두 다룸
통일장 이론
- 전자기력과 중력을 통합
- 여분 차원을 가정하면 설명이 가능했다
- 그러면 여분 차원은 왜 안보이나?
  - 우리가 사는 시공간 4차원에서는 안 보이는 것 뿐
  - 멀리서 보면 1차원 선처럼 보이던 것이 가까이 가면 2차원 면으로 보이는 것처럼
비틀린 중력
- 막 이론
- 여분 차원이 있더라도 모든 것이 여분 차원에서 움직이는 것은 아니다
- 막으로 구분 되어 있을 수 있다
- 우리가 막에 갇혀 있다면 그 이상의 차원과 상호 작용할 수 없을 것이다
- 중력은 막에 갇혀있지 않고, 여분의 차원에서도 작용한다
- 막과 막 사이는 중력으로 소통할 수 있다
관찰
- 관찰에는 해상도(스케일)가 중요하다
- 스케일에 따라 대상을 설명하는 방법이 달라질 수 있다
  - 얼마나 더 정확히 설명하는가?
우주에 대한 이해는 관찰에 달려있다
대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)
- 양성자를 가속 시킨 후 충돌 → 높은 에너지(14조 전자볼트)가 발생
- 높은 에너지 상태에서는 질량이 큰 새로운 입자가 생길 수도 있다
- 스케일은 TeV.이고, 10의 12승을 나타낸다
- 기본 입자의 질량을 측정할 수 있다
유효 이론
- 이론이 적용되는 특정 스케일에 한해 특정 가능한 입자와 힘을 기술하는 이론
- 표준 모형
기본 입자
- 쿼크
  - 업 쿼크, 다운 쿼크, 참 쿼크, 스트레인지 쿼크, 탑 쿼크, 버텀 쿼크
  - 강력을 받음
  - 3개가 모여 양성자와 중성자를 이룸
  - 업 쿼크와 다운 쿼크가 원자를 구성
- 경입자
  - 전자 중성미자, 전자, 뮤온 중성미자, 뮤온, 타우 중성미자, 타우
  - 강력을 받지 않음
- 게이지 보손
  - 글루온, W 보손, Z 보손, 광자
- 힉스
  - 질량을 매개하는 입자
물질 간의 상호작용 나타내는 힘
- 중력
- 전자기력
- 약력
- 강력
  - 양성자와 중성자 안의 쿼크들을 묶어두는 힘
우주에는 힉스 장이 펼쳐져 있고, 다른 입자들은 힉스 장과 상호작용을 한다. 상호 작용의 결과가 질량이다
힉스 메커니즘
- 양자장론에서 소립자들이 질량을 얻게 되는 과정
- 양자장론 = 양자역학 + 상대성 이론
계층 문제
- 양자장론에 따라 계산하면 현재 측정되는 입자의 질량이 너무 작다. 10의 16승 배나 작다
- 질량이 작다는 것은 중력이 약하다는 것
- 무언가 구멍이 있다
여분 차원으로 계층 문제를 설명할 수 있다
- 여분 차원마다 다른 특성을 가질 수 있다
- 중력의 크기는 여분 차원의 위치에 달렸다
- 여분 차원에는 2개의 막이 있다
  - 약한 막
    - 우리는 약한 막 위에 갇혀 살고 있다
  - 중력 막
    - 중력이 강하게 작용하는 곳
  - 중력 막과 약한 막은 상호작용 할 수 있고, 따라서 우리도 중력을 느낄 수 있다. 그러나 약하다
  - 중력이 약하니 질량도 작다
  - 수학적으로 증명했다
  - 입자 스케일에서 실험으로 검증 가능하다
  - 칼루차-클라인 입자를 발견하면 증명 됨
칼루차-클라인 입자
- 새로운 입자는 아님
- 기존 입자들이 여분 차원에서 갖는 운동량의 증거
- 입자가 여분 차원에서 운동하면, 더 무거운 입자를 수반한다는 것
- 여분 차원은 보이지 않으므로, LHC에서 실험해야 여분 차원의 입자가 생성되는 것처럼 보일 것이다
- 생성 되자마자 전자와 양전자로 붕괴될 것이다. 양전자와 전자의 특성으로 칼루차-클라인 입자를 재구성해볼 수 있다
칼루차-클라인 입자가 왜 발견되지 않을까?
- LHC로 만들어낼 수 있는 에너지가 아직 낮은걸까?
- 이론이 불완전한걸까?
여분 차원은 어디에 존재하는가?에 대한 두 가지 견해
- 작게 말려 있다
- 무한한 크기이다
크기, 질량, 중력 모두 여분 차원에 따라 달라진다
LHC를 통해 암흑물질에 대한 통찰을 얻을 수 있다
우주 파이
- 우주의 에너지 분포를 원형 그래프로 표현한 것
- 원자 5%, 암흑 물질 26%, 암흑 에너지 69%
- 우리에게 익숙한 물질은 우주의 5%에 불과
암흑 물질
- 중력과 상호작용 하고, 빛과는 상호작용 하지 않는다
- 표준 모형의 상호 작용은 없다. 따라서 표준 모형의 입자가 아닐 가능성이 높다
암흑 물질의 존재 증거
- 은하 회전 속도가 너무 빠르다
  - 보통 물질만으로는 중력이 충분하지 못해 그렇게 빠르게 회전 할 수 없다
- 은하단의 속도가 너무 빠르다
- 우주 마이크로파 배경 복사 연구
  - 보통 물질만으로는 이렇게 빠른 시간에 은하계 형성에 필요한 충분한 중력을 만들어낼 수 없
- 은하계 구조가 흩어져야 하는데 그렇지 않다
- 총알 은하단
  - 중력 렌즈 현상 관찰을 통해 암흑 물질의 위치를 추적할 수 있다
  - 은하들의 집합인 은하단이 최소 두 개 이상 융합해 만들어지는 은하
  - 보통 물질(가스)은 상호 작용 하므로 중심부로 뭉치고, 암흑 물질은 그렇지 않으므로 바깥에 퍼져있다
암흑 물질은 우주 어디에나 있다
암흑 물질은 은하계를 형성시켰다
- 암흑 물질 붕괴 → 중력 생성 → 보통 물질 붕 → 은하계 형성
암흑 물질이 소립자로 구성되었다고 가정
윔프(Weakly Interacting Massive Particles)
- 약하게 상호작용하는 질량을 가진 입자. 이론상의 가상 입자. 아직 발견은 못함
- 힉스 입자와 비슷한 질량
- 보통 물질과도 상호작용. 중력은 제외
윔프가 암흑 물질일 것이다?
- 암흑 물질의 양과 비슷하다
- 실험으로 검증 가능하다
암흑 물질이 자기들끼리 상호작용할 수 있다면?
이중 원반 모형 가설
- 암흑 물질이 에너지를 방출할 수 있다면, 은하계 모양처럼 암흑 물질도 시간이 지남에 따라 구 형 → 원반 형이 될 수 있다
- 보통 입자가 아닌 것으로 만들어진 원반을 찾는 다면 암흑 물질의 존재를 증명할 수 있다
  - 가이아 위성이 찾고 있다
지구에 떨어진 지름 20km가 넘는 운석은 대략 25개. 그런데 3천~3천5백만 년의 주기성이 관찰된다. 이 주기성을 이중 원반 모형으로 설명한다면?
- 태양계는 주기적으로 암흑 물질 원반을 통과한다
- 그 때, 오르트 구름에 존재하는 운석들이 중력에 의해 떨어져나갈 수 있다. 떨어져 나간 운석이 지구에 충돌할 수 있다
- 계산해보니 주기가 잘 들어맞는다
- 공룡도 이 때문에 멸종한 것일 수도?