슈튀켈베르크 작용
슈튀켈베르크 작용(Stückelberg mechanism)은 게이지 이론에서 게이지 보존 입자가 질량을 얻도록 하는 메커니즘이다. 이는 자발적 대칭 깨짐과 관련이 있지만 힉스 메커니즘과는 다른 방식으로 작용한다. 슈튀켈베르크 작용은 게이지 보존 입자에 직접 질량항을 추가하는 대신, 새로운 스칼라 입자(슈튀켈베르크 스칼라)를 도입하여 게이지 장과 섞이게 함으로써 질량을 얻게 한다.
설명
일반적으로 게이지 불변성을 유지하기 위해서는 게이지 보존 입자는 질량이 없어야 한다. 그러나 실제 자연에서는 몇몇 게이지 보존 입자(예: 약력의 W와 Z 보존)가 질량을 가지고 있다. 힉스 메커니즘은 이러한 현상을 설명하는 데 널리 사용되는 방법이지만, 슈튀켈베르크 작용은 또 다른 가능한 방법이다.
슈튀켈베르크 작용은 다음과 같은 단계를 거쳐 작동한다.
- 새로운 스칼라 입자 도입: 기존 게이지 이론에 새로운 스칼라 입자, 즉 슈튀켈베르크 스칼라를 도입한다. 이 스칼라는 게이지 변환에 따라 변환되는 특정 변환 규칙을 따른다.
- 게이지 장과 슈튀켈베르크 스칼라의 결합: 슈튀켈베르크 스칼라와 게이지 장 사이의 상호작용 항을 라그랑지안에 추가한다. 이 상호작용 항은 게이지 불변성을 유지하도록 신중하게 구성되어야 한다.
- 게이지 선택: 특정 게이지(보통 유니터리 게이지)를 선택하면 슈튀켈베르크 스칼라가 라그랑지안에서 사라지고, 대신 게이지 보존 입자가 질량을 얻게 된다.
특징
- 슈튀켈베르크 작용은 힉스 메커니즘과 달리 자발적 대칭 깨짐을 필요로 하지 않는다.
- 슈튀켈베르크 작용은 일반적으로 U(1) 게이지 이론에 적용된다.
- 슈튀켈베르크 스칼라는 물리적인 입자가 아닐 수 있으며, 게이지 선택을 통해 제거될 수 있다.
응용
슈튀켈베르크 작용은 다음과 같은 다양한 분야에서 응용된다.
- 질량 있는 광자를 설명하는 이론
- 추가 차원 이론에서 칼루자-클라인 모드의 질량 생성
- 초중력 이론 및 끈 이론
참고 문헌
- Stückelberg, E. C. G. (1938). "Interaction energy in electrodynamics and in the field theory of nuclear forces." Helvetica Physica Acta, 11, 225-244.