약력은 자연의 네 가지 기본 힘 중 하나이며, 매우 짧은 거리에서만 작용한다. 약력의 작용 범위, 곧 이 힘이 미칠 수 있는 거리는 약 10⁻¹⁸미터, 즉 1아토미터이다. 이는 양성자 지름의 1,000분의 1에 못 미친다.

거리

1아토미터는 10⁻¹⁸미터로, 1미터의 10억분의 1의 10억분의 1이다. 10⁻¹⁸이라는 표기는 1을, 1 뒤에 0이 18개 붙은 수로 나눈 값을 뜻한다. 이 범위는 누군가 기구로 측정한 경계가 아니다. 힘을 전달하는 입자의 질량에서 도출한 추정값이다.

약력은 W 보손과 Z 보손이라는 입자가 전달한다. 이 입자들은 무겁다. W 보손의 질량은 양성자의 약 86배이고, Z 보손은 약 97배이다. 양자물리학에서는 힘을 전달하는 입자가 아주 짧은 순간 동안만 존재할 수 있으며, 입자가 무거울수록 그 순간은 더 짧다.

W 보손은 빛의 속도에 가깝게 움직여도 그 시간 동안 약 2 × 10⁻¹⁸미터밖에 나아가지 못한다고 교재 University Physics Volume 3은 설명한다. 유럽의 입자물리학 연구소인 CERN은 이 범위를 약 10⁻¹⁸미터로 어림한다. CERN은 또 양성자 하나의 반지름보다 먼 곳에서는 이 힘이 완전히 사라진다고 덧붙인다.

크기 비교

양성자는 지름이 약 1.7펨토미터(1.7 × 10⁻¹⁵미터)로, 약력의 작용 범위의 약 1,700배이다.
양성자와 중성자 안에서 쿼크를 묶어 두는 강력은 약 10⁻¹⁵미터까지 미치며, 이는 약력의 약 1,000배 거리이다.
실험에 따르면 쿼크는 크기가 있다 하더라도 지름이 약 8.6 × 10⁻¹⁹미터보다 작으며, 이는 약력의 작용 범위에 조금 못 미친다.
약력의 작용 범위를 사람 머리카락 굵기인 약 0.1밀리미터로 확대한다면, 양성자는 지름이 약 17센티미터, 수소 원자는 지름이 약 11킬로미터일 것이다.

약력이 하는 일

약력은 한 종류의 쿼크를 다른 종류로 바꿀 수 있다. 방사성 붕괴의 한 종류인 베타 붕괴에서 중성자가 양성자로 바뀌는 것이 바로 이 과정이다. 중성자는 W 보손을 내놓고 양성자가 되며, W 보손은 곧 전자와 반중성미자로 바뀐다.

약력은 양성자를 중성자로 바꿀 수도 있다. 이 변화는 태양에 에너지를 공급하는 핵융합의 첫 단계에서 일어난다. 양성자 두 개가 결합하고 그중 하나가 중성자가 되어, 수소의 무거운 형태인 중수소가 만들어진다. 중성미자는 약력과 중력만 느끼며, 대부분은 막히지 않고 행성 전체를 통과한다.

이름은 약력이지만 이 힘은 중력보다 훨씬 강하다. CERN은 약력이 본질적으로 전자기력만큼 강하며, 무거운 W 보손과 Z 보손이 그 힘이 미치는 거리를 제한하기 때문에 약해 보인다고 설명한다.

W 보손과 Z 보손의 발견

엔리코 페르미는 1933년에 약력에 관한 최초의 이론을 내놓았다. 1960년대에 셸던 글래쇼, 압두스 살람, 스티븐 와인버그는 약력과 전자기력이 하나의 전약력이 지닌 두 가지 형태라고 제안했다. 이들의 이론은 W 보손과 Z 보손을 예측했고, 앞선 실험 결과와 결합해 두 보손의 질량도 예측했다.

이 보손들을 만들기 위해 CERN의 물리학자들은 연구소에서 가장 큰 가속기를 양성자와 반양성자를 충돌시키는 장치로 바꾸었다. UA1과 UA2 실험은 예측된 질량을 지닌 두 입자를 1983년에 그곳에서 처음으로 관측했다. 카를로 루비아와 시몬 판데르메이르는 이 발견으로 1984년 노벨 물리학상을 받았다.

출처

The Z boson. CERN.
The Standard Model. CERN.
The Standard Model. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
Introduction to Particle Physics. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
The Four Basic Forces. In College Physics, 2nd edition. OpenStax, 2022.
Mass, Energy, and the Theory of Relativity. In Astronomy, 2nd edition. OpenStax, 2022.
Summary Tables: Gauge and Higgs Bosons. Particle Data Group, 2025.
Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. H. Abramowicz et al. (ZEUS Collaboration), Physics Letters B, 2016.
SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
Bohr radius. NIST CODATA, 2022.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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