스쿼크(스칼라 쿼크, 영문: squark)는 초대칭 이론(supersymmetry, SUSY)에서 쿼크(quark)의 초대칭 입자 파트너를 가리키는 용어이다. 초대칭은 입자 물리학의 표준 모형을 확장하는 가설적 프레임워크로, 모든 페르미온(반정수 스핀 입자)마다 스피너가 정수 스핀을 갖는 초대칭 입자(보존자)와 짝을 이룬다고 가정한다. 이에 따라, 스핀이 ½인 일반 쿼크에 대응하는 스쿼크는 스핀이 0인 스칼라 입자로 예측된다.
정의
- 입자 유형: 보존자(스칼라 보존자)
- 스핀: 0 (정수 스핀)
- 전하: 쿼크와 동일한 전기적 전하를 갖는다(예: 위쪽 쿼크(up‑type)와 대응하는 스쿼크는 +$ \frac{2}{3}e $ 전하)
- 색전하: 색(색 입자) 전하를 가지고 있어, 강한 상호작용에 참여한다.
이론적 배경
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초대칭 원리
- 초대칭 변환은 페르미온과 보존자를 서로 변환시킨다.
- 스쿼크는 이러한 변환에 의해 쿼크와 짝을 이루는 초대칭 입자로, 쿼크의 페르미온적 자유도를 보존자 자유도로 매핑한다.
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질량 및 혼합
- 스쿼크는 전통적인 쿼크와 달리 질량이 크게 가정되며, 초대칭 파괴 메커니즘에 따라 질량이 결정된다.
- 여러 세대(1세대, 2세대, 3세대)와 좌우 손성(왼쪽‑핸드드, 오른쪽‑핸드드) 스쿼크가 존재할 수 있으며, 이들 사이에 혼합(mixing)이 일어날 가능성이 제시된다.
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상호작용
- 강한 상호작용(양자 색역학, QCD)과 전기·약한 상호작용에 모두 참여한다.
- 초대칭 입자이므로, 파인먼 규칙에 따라 스퀘어(스칼라) 형태의 상호작용을 가진다.
명명 및 어원
- 어원: “squark”는 “scalar quark”(스칼라 쿼크)의 약어에서 유래하였다. 한국어 표기인 “스쿼크”는 이 영문 표기를 음절 단위로 음차한 형태이다.
연구 현황
- 현재까지의 입자 가속기 실험(예: CERN의 LHC)에서는 스쿼크의 존재를 입증할 수 있는 결정적 증거가 발견되지 않았다.
- 여러 실험에서는 스쿼크가 가질 수 있는 질량 범위에 대한 제한을 제시하고 있으며, 일반적으로 수백 GeV에서 수 TeV 수준 이하의 질량이 존재할 수 있음을 시사한다.
- 스쿼크와 같은 초대칭 입자의 탐색은 다크 물질 후보, 계층 문제(hierarchy problem) 해결 등 이론적 동기를 제공한다.
관련 용어
- 쿼크(Quark): 기본적인 페르미온으로, 핵자(양성자·중성자)를 구성한다.
- 초대칭(Supersymmetry, SUSY): 페르미온과 보존자를 연결하는 대칭 이론.
- 다크 물질: 우주 질량의 대부분을 차지한다고 추정되지만, 현재까지 직접 검출되지 않은 물질 형태.
참고
- 스쿼크는 이론 물리학에서 제안된 입자이며, 실험적인 확인이 이루어지지 않은 상태이므로, 현재까지는 가설적인 입자에 해당한다.
이 문서는 2026년 현재까지의 과학적 합의와 공개된 연구 결과에 기반하여 작성되었으며, 향후 새로운 실험 결과에 따라 내용이 변경될 수 있다.