기본 입자의 분류 - 소프트웨어 융합

소립자 물리학에서 기본 입자들은 상호작용의 성질과 구성에 따라 여러 가지로 분류될 수 있다. 가장 기본적으로, 입자는 페르미온과 보존으로 나누어진다. 이 두 분류는 파울리 배타 원리에 의해 구별되며, 이는 입자의 스핀에 따라 다르게 적용된다. 여기에서는 입자의 스핀, 전하, 질량 등의 물리적 특성을 기준으로 다양한 입자들을 분류하는 방식을 다룬다.

페르미온과 보존의 차이

모든 입자는 스핀이라는 고유한 양자적 성질을 가지고 있으며, 이는 $\hbar$ 의 정수 배나 반정수 배로 나타난다. 스핀이 $\frac{1}{2}, \frac{3}{2}, \dots$ 인 입자들은 페르미온이라 불리며, $\hbar$ 의 정수 배를 가지는 입자들은 보존이라 불린다. 페르미온은 파울리 배타 원리에 따라 동일한 상태에 두 개 이상의 입자가 동시에 존재할 수 없으며, 보존은 이와 달리 여러 개가 같은 상태에 있을 수 있다.

페르미온: 기본적으로 물질을 구성하는 입자들로, 대표적으로 쿼크와 렙톤이 있다. 스핀이 반정수로 나타난다.
보존: 상호작용을 매개하는 입자들로, 대표적으로 광자, W 및 Z 보존, 글루온, 그리고 힉스 입자가 있다. 스핀이 정수로 나타난다.

렙톤

렙톤은 강한 상호작용을 하지 않는 입자로, 전기적 상호작용과 약한 상호작용에만 영향을 받는다. 렙톤에는 전자( $e$ ), 뮤온( $\mu$ ), 타우( $\tau$ )와 이들의 중성미자가 포함된다. 렙톤은 6개의 종류로 나눌 수 있으며, 이를 세대(generation)라고 부른다.

1세대: 전자( $e$ ), 전자 중성미자( $\nu_e$ )
2세대: 뮤온( $\mu$ ), 뮤온 중성미자( $\nu_\mu$ )
3세대: 타우( $\tau$ ), 타우 중성미자( $\nu_\tau$ )

이들의 질량은 모두 다르며, 일반적으로 세대가 높을수록 질량이 더 크다. 예를 들어, $\mu$ 의 질량은 $e$ 보다 크고, $\tau$ 는 $\mu$ 보다 더 무겁다.

쿼크

쿼크는 강한 상호작용을 하는 입자들로, 색전하라는 고유한 성질을 가지고 있다. 쿼크는 렙톤과 마찬가지로 세대별로 나뉘며, 총 6종류의 쿼크가 존재한다. 이들은 상호작용을 통해 하드론을 구성하는 기본 단위로 작용한다.

1세대: 업 쿼크( $u$ ), 다운 쿼크( $d$ )
2세대: 차밍 쿼크( $c$ ), 스트레인지 쿼크( $s$ )
3세대: 탑 쿼크( $t$ ), 바텀 쿼크( $b$ )

쿼크는 전하를 띠고 있으며, 그 값은 분수로 나타난다. 예를 들어, 업 쿼크는 $+\frac{2}{3}e$ 의 전하를 가지고, 다운 쿼크는 $-\frac{1}{3}e$ 의 전하를 가진다. 이들 역시 세대가 높을수록 더 무겁다. 탑 쿼크는 발견된 쿼크 중 가장 무겁다.

쿼크는 혼자서는 존재하지 않으며, 항상 색가둠(color confinement)이라는 원리에 의해 다른 쿼크들과 결합하여 하드론을 형성한다. 이 결합 상태는 글루온에 의해 매개되며, 이들은 강한 상호작용을 통해 결합된다.

하드론

쿼크들이 결합하여 만든 입자를 하드론이라고 한다. 하드론은 다시 두 가지 범주로 나뉜다.

중입자(Baryon): 세 개의 쿼크가 결합하여 만들어진 입자로, 대표적인 중입자는 양성자와 중성자이다. 양성자는 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크( $uud$ )로 이루어져 있으며, 중성자는 두 개의 다운 쿼크와 한 개의 업 쿼크( $udd$ )로 구성된다.
메존(Meson): 하나의 쿼크와 하나의 반쿼크로 이루어진 입자들로, 파이온( $\pi$ ), 카이온( $K$ ) 등이 이에 해당한다. 메존은 쿼크-반쿼크 쌍으로 이루어져 있기 때문에 전하가 0이거나 전하를 가질 수 있다.

하드론의 질량은 그를 구성하는 쿼크의 종류와 이들 사이의 상호작용 에너지에 따라 결정된다.

보존(Boson)

보존은 자연의 기본 힘을 매개하는 입자들로, 스핀이 정수인 입자들을 가리킨다. 이들은 페르미온과 달리 파울리 배타 원리에 의해 동일한 상태에 여러 개의 입자가 존재할 수 있으며, 따라서 입자들 간의 상호작용을 매개하는 역할을 한다. 소립자 물리학에서 보존은 크게 네 가지 기본 상호작용을 매개하는 입자들로 분류할 수 있다.

1. 전자기 상호작용을 매개하는 광자 (Photon, $\gamma$ )

광자는 전자기 상호작용을 매개하는 무질량 보존이다. 이는 전자, 양성자, 쿼크 등 전하를 띠는 입자들이 전자기장을 통해 상호작용할 수 있게 해 준다. 광자의 스핀은 1이며, 전하를 가지고 있지 않기 때문에 전자기 상호작용 그 자체에는 영향을 받지 않는다.

2. 강한 상호작용을 매개하는 글루온 (Gluon, $g$ )

글루온은 강한 상호작용을 매개하는 보존으로, 쿼크 간의 상호작용을 담당한다. 강한 상호작용은 색전하(color charge)를 가진 입자들 간에 작용하며, 이때 색전하를 가진 입자들이 서로 결합해 하드론을 형성할 수 있게 한다. 글루온은 자신도 색전하를 가지며, 이를 통해 다른 글루온들과 상호작용할 수 있다. 글루온은 질량이 없으며, 스핀은 1이다.

강한 상호작용은 쿼크를 결합하여 중입자와 메존을 만드는 주요 원리이며, 색가둠(color confinement) 현상으로 인해 쿼크는 글루온에 의해 결합된 상태로만 존재할 수 있다.

3. 약한 상호작용을 매개하는 W 및 Z 보존 (W, Z bosons)

약한 상호작용은 쿼크와 렙톤 간의 상호작용을 매개하며, 특히 베타 붕괴와 같은 방사성 붕괴 현상을 설명할 수 있다. 약한 상호작용을 매개하는 입자는 W 및 Z 보존이다.

W 보존 ( $W^+, W^-$ ): 전하를 가진 보존으로, 스핀 1을 가지며, 질량이 크다. W 보존은 양전하와 음전하를 가진 두 종류가 있으며, 이들에 의해 전하를 띤 약한 상호작용이 발생한다. 예를 들어, 베타 붕괴에서 중성자가 양성자로 바뀔 때 $W^-$ 보존이 방출된다.
Z 보존 ( $Z^0$ ): 전하를 가지지 않는 중성 보존으로, 스핀 1을 가지며, 역시 질량이 크다. Z 보존은 전하가 없는 중성 약한 상호작용을 매개한다.

W와 Z 보존은 매우 무거운 입자들로, 그 질량은 전자기 상호작용을 매개하는 광자와 비교해 매우 크다. 이는 약한 상호작용이 전자기 상호작용보다 짧은 범위에서 작용하게 만드는 주요 원인이다.

4. 힉스 보존 (Higgs boson, $H$ )

힉스 보존은 질량을 설명하는 표준 모형의 중요한 요소로, 힉스 장을 통해 다른 입자들이 질량을 얻는 메커니즘을 제공한다. 힉스 입자는 스핀이 0인 유일한 기본 보존으로, 질량을 가지고 있다. 힉스 메커니즘에 따라, W 및 Z 보존과 같은 약한 상호작용을 매개하는 입자들은 힉스 장과 상호작용하여 질량을 얻는다.

기본 상호작용의 요약

자연의 기본 상호작용은 4가지로 요약될 수 있으며, 각 상호작용은 특정한 매개 입자에 의해 설명된다. 이를 다음 표로 정리할 수 있다.

상호작용	매개 입자	작용 대상	범위	특성
전자기 상호작용	광자 ( $\gamma$ )	전하를 띠는 입자	무한대	전하 간의 상호작용
강한 상호작용	글루온 ( $g$ )	쿼크, 하드론	짧은 범위	색전하 간의 상호작용
약한 상호작용	W 및 Z 보존 ( $W^\pm, Z^0$ )	쿼크, 렙톤	매우 짧음	베타 붕괴 등 방사성 붕괴
중력	아직 발견되지 않음	모든 입자	무한대	질량 간의 상호작용

색가둠(Color Confinement)과 비편향성 원리(Asymptotic Freedom)

쿼크가 강한 상호작용을 통해 하드론을 형성할 때, 쿼크가 홀로 존재하지 못하는 이유는 색가둠(color confinement) 원리 때문이다. 이는 쿼크들이 항상 색전하를 상쇄하는 방식으로 결합해 중성 입자인 하드론을 형성하기 때문이다. 색가둠에 따르면, 쿼크가 개별적으로 자유롭게 존재할 수 없으며, 항상 다른 쿼크나 반쿼크와 결합해 색중성 상태를 유지한다.

색전하와 색가둠

강한 상호작용을 설명하는 양자색역학(QCD, Quantum Chromodynamics)에서 쿼크는 세 가지 색전하를 가질 수 있다: 빨강, 초록, 파랑. 글루온은 이들 색전하를 서로 교환하면서 쿼크들 간의 결합을 유지한다.

쿼크들은 서로 결합하여 색을 상쇄하는 색중성 상태를 형성하며, 이 과정에서 쿼크와 반쿼크가 결합한 메존이나 세 개의 쿼크가 결합한 중입자를 만든다. 예를 들어, 양성자는 세 개의 쿼크( $uud$ )가 결합한 중입자이며, 이들의 색전하가 중성을 이루는 방식으로 결합되어 있다.

색가둠의 중요한 특징 중 하나는 두 쿼크 간의 거리가 멀어질수록 결합력이 더 강해진다는 점이다. 이 때문에 쿼크들은 점점 멀어질수록 더 강하게 결합되어 쿼크 하나가 홀로 떨어져 나올 수 없고, 결국 하드론 안에 갇혀 있게 된다.

비편향성 원리(Asymptotic Freedom)

쿼크가 매우 가깝게 있을 때, 즉 하드론 내부에서 서로 근접한 상태일 때는, 쿼크 간의 강한 상호작용이 약해지는 현상이 발생하는데, 이를 비편향성 원리(asymptotic freedom)라고 한다. 이는 양자색역학(QCD)의 중요한 특성 중 하나로, 매우 높은 에너지 상태나 매우 짧은 거리에서 쿼크들이 거의 자유롭게 움직일 수 있음을 나타낸다.

비편향성 원리는 강한 상호작용의 결합 상수 $\alpha_s$ 가 에너지에 따라 변한다는 사실에서 비롯되며, 이를 통해 고에너지에서 쿼크는 서로 약하게 상호작용하고 거의 자유롭게 행동할 수 있다. 이는 입자 가속기 실험에서 고에너지 충돌을 통해 검증된 바 있다.

이와 같은 색가둠과 비편향성 원리는 쿼크가 하드론 내부에서만 존재할 수 있으며, 고에너지 상태에서만 개별적인 쿼크의 움직임을 관측할 수 있는 이유를 설명해준다.

표준 모형의 대칭성(Symmetry of the Standard Model)

소립자 물리학에서 표준 모형(Standard Model)은 기본 입자들과 이들 간의 상호작용을 설명하는 이론적 틀이다. 표준 모형은 입자 물리학의 모든 기본 상호작용을 전자기, 약한 상호작용, 강한 상호작용으로 통합하여 설명하며, 이 과정에서 다양한 대칭성들이 중요한 역할을 한다.

표준 모형에서 가장 중요한 대칭성 중 하나는 게이지 대칭성(gauge symmetry)이다. 이는 전자기, 약한 상호작용, 강한 상호작용이 각각의 대칭성에 따라 기술된다는 것을 의미한다.

게이지 대칭성

전자기 상호작용: 전자기 상호작용은 $U(1)$ 게이지 대칭성에 의해 설명된다. 이는 전자기장의 게이지 변환에 대한 불변성을 나타내며, 전자와 같은 입자들이 전자기장과 상호작용하는 방식을 기술한다.
약한 상호작용: 약한 상호작용은 $SU(2)$ 게이지 대칭성을 따른다. 이는 약한 상호작용을 매개하는 W 및 Z 보존이 이 대칭성 하에서 작용하며, 약한 상호작용의 비보존적인 특성을 설명한다.
강한 상호작용: 강한 상호작용은 $SU(3)$ 게이지 대칭성을 따른다. 양자색역학(QCD)은 강한 상호작용을 설명하는 이론으로, 이 대칭성은 쿼크들이 글루온을 통해 색전하를 교환하면서 상호작용하는 방식을 기술한다.

표준 모형은 이들 대칭성들을 결합하여 통일된 상호작용을 설명하며, 기본 입자들이 상호작용하는 방식을 수학적으로 엄밀하게 기술한다. 이러한 대칭성은 입자 간의 상호작용을 설명할 뿐 아니라, 자연의 기본 법칙이 특정 변환에 대해 변하지 않음을 보장하는 중요한 원리로 작용한다.

게이지 이론과 힉스 메커니즘

게이지 이론은 표준 모형의 핵심 요소로, 기본 상호작용을 설명하는 데 중요한 역할을 한다. 게이지 이론에서는 대칭성 변환에 대한 불변성(게이지 불변성)이 유지되도록 기본 입자들과 상호작용하는 힘을 설명하며, 이러한 상호작용을 매개하는 입자들은 게이지 보존이라고 부른다. 게이지 이론은 특히 전자기, 약한 상호작용, 강한 상호작용을 설명하는데 적용된다.

자발 대칭성 깨짐 (Spontaneous Symmetry Breaking)

힉스 메커니즘은 약한 상호작용에서 매우 중요한 역할을 하는 자발 대칭성 깨짐(Spontaneous Symmetry Breaking) 현상을 설명한다. 이 현상은 게이지 이론의 중요한 부분이며, 기본적으로 상호작용을 매개하는 입자들이 어떻게 질량을 얻게 되는지를 설명하는 메커니즘이다.

약한 상호작용을 매개하는 W 및 Z 보존은 매우 무거운 입자들인데, 이들의 질량은 힉스 메커니즘을 통해 발생한다. 힉스 장이 특정한 값에 도달할 때, 이 장의 대칭성이 깨지고, 그 결과로 W와 Z 보존은 질량을 가지게 된다.

힉스 장 (Higgs Field)

힉스 장은 모든 공간에 퍼져 있는 스칼라 장이다. 이 장은 스핀이 0인 힉스 보존에 대응하며, 이 장과 상호작용하는 입자들이 질량을 얻게 된다. 힉스 장의 진공 기대값(vacuum expectation value, VEV)이 대칭성을 깨뜨리면서 게이지 보존에 질량을 부여하는데, 이를 자발 대칭성 깨짐이라 한다.

힉스 메커니즘에서, 힉스 장이 진공에서 특정한 값 $\langle H \rangle$ 을 가지며, 이 값이 0이 아니기 때문에 W 및 Z 보존은 질량을 얻게 된다. 힉스 장과 상호작용하지 않는 입자들, 예를 들어 광자( $\gamma$ )는 여전히 질량이 없는 상태로 남는다.

W 및 Z 보존의 질량

힉스 메커니즘을 통해 얻어지는 W 및 Z 보존의 질량은 다음과 같은 형태로 표현된다.

$M_W = \frac{g v}{2}, \quad M_Z = \frac{\sqrt{g^2 + g'^2} v}{2}$

여기서 $v$ 는 힉스 장의 진공 기대값, $g$ 는 $SU(2)$ 의 결합 상수, $g'$ 는 $U(1)$ 의 결합 상수를 나타낸다. 이러한 방식으로, W 및 Z 보존은 비대칭적으로 질량을 가지게 된다.

페르미온 질량

페르미온도 힉스 장과 상호작용하여 질량을 얻는다. 표준 모형에서 페르미온들은 힉스 장과 상호작용하면서 그들의 질량이 결정되는데, 이 과정은 페르미온이 힉스 장과 결합하면서 이루어진다.

페르미온의 질량은 다음과 같은 일반적인 식으로 표현될 수 있다.

$m_f = y_f v$

여기서 $m_f$ 는 페르미온의 질량, $y_f$ 는 페르미온의 유카와 결합 상수(Yukawa coupling constant), 그리고 $v$ 는 힉스 장의 진공 기대값이다. 각 페르미온의 질량은 이 유카와 결합 상수에 의해 결정되며, 이 상수가 클수록 해당 페르미온의 질량은 커진다.

예를 들어, 탑 쿼크( $t$ )는 매우 무거운 쿼크인데, 이는 탑 쿼크가 매우 큰 유카와 결합 상수를 가지기 때문이다. 반면에 전자와 같은 가벼운 입자는 매우 작은 유카와 결합 상수를 가지며, 그 결과로 질량이 작다.

쿼크 혼합과 CKM 행렬

쿼크는 세대별로 분류되며, 각 세대는 업-다운 쿼크 쌍으로 구성된다. 이들 쿼크는 서로 다른 전하와 질량을 가지며, 표준 모형에서 쿼크들이 약한 상호작용을 할 때는 쿼크 혼합이 발생한다. 이는 쿼크가 한 세대에서 다른 세대로 전환될 수 있음을 의미하며, 이 과정은 카비보-코바야시-마스카와(CKM) 행렬로 기술된다.

CKM 행렬은 약한 상호작용이 발생할 때, 쿼크가 한 세대에서 다른 세대로 변환되는 확률을 나타내는 수학적 도구이다. CKM 행렬 $V_{CKM}$ 은 다음과 같은 형태로 주어진다.

$\mathbf{V}_{CKM} = \begin{pmatrix} V_{ud} & V_{us} & V_{ub} \\ V_{cd} & V_{cs} & V_{cb} \\ V_{td} & V_{ts} & V_{tb} \end{pmatrix}$

여기서 각 $V_{ij}$ 는 특정 쿼크 쌍이 서로 변환될 확률 진폭을 나타낸다. 예를 들어, $V_{ud}$ 는 업 쿼크가 다운 쿼크로 변환될 확률을 나타내며, $V_{tb}$ 는 탑 쿼크가 바텀 쿼크로 변환될 확률을 의미한다. 이 행렬은 유니타리(unitary) 성질을 가지며, 모든 행과 열의 합이 1이다.

CKM 행렬은 기본적으로 쿼크의 약한 상호작용에서의 혼합 현상을 설명하는 중요한 요소로, 이는 베타 붕괴와 같은 현상을 이해하는 데 필수적이다. 이 행렬은 세대 간의 상호작용 강도를 나타내며, 상이한 세대의 쿼크 간 변환이 드문 현상임을 설명한다.

중성미자 진동과 질량

중성미자는 표준 모형에서 매우 특이한 성질을 가진 입자로, 질량이 거의 없거나 아예 없다고 여겨져 왔다. 그러나 실험적 증거는 중성미자가 질량을 가지고 있으며, 이 질량 때문에 중성미자가 서로 다른 맛깔(종류)로 진동할 수 있음을 보여주었다. 이를 중성미자 진동(neutrino oscillation)이라고 한다.

중성미자 진동의 개념

중성미자는 세 가지 맛깔(flavor)을 가지고 있다: 전자 중성미자( $\nu_e$ ), 뮤온 중성미자( $\nu_\mu$ ), 타우 중성미자( $\nu_\tau$ ). 중성미자가 이동하는 동안 이들 맛깔이 서로 변환될 수 있는데, 이는 중성미자가 질량 상태와 맛깔 상태가 서로 다르게 나타나는 성질 때문이다. 즉, 중성미자의 맛깔 상태는 고정되어 있지 않으며, 질량 상태에 따라 진동한다.

중성미자 진동은 중성미자의 질량 차이와 관련이 있으며, 이러한 진동은 특정 거리와 시간 동안 중성미자가 이동할 때 발생한다. 중성미자의 진동을 기술하는 데는 폰테코르보-마키-나카가와-사카타(PMNS) 행렬이 사용된다.

PMNS 행렬

PMNS 행렬은 CKM 행렬과 유사하게, 중성미자의 질량 상태와 맛깔 상태 간의 변환을 나타낸다. PMNS 행렬은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

$\mathbf{U}_{PMNS} = \begin{pmatrix} U_{e1} & U_{e2} & U_{e3} \\ U_{\mu 1} & U_{\mu 2} & U_{\mu 3} \\ U_{\tau 1} & U_{\tau 2} & U_{\tau 3} \end{pmatrix}$

여기서 $U_{\alpha i}$ 는 중성미자의 특정 맛깔( $\alpha = e, \mu, \tau$ )과 특정 질량 상태( $i = 1, 2, 3$ ) 간의 혼합 강도를 나타낸다. PMNS 행렬은 중성미자가 이동할 때, 맛깔이 어떻게 변환되는지를 설명하는 데 중요한 도구다.

중성미자 진동 공식

중성미자의 진동 확률은 중성미자의 질량 상태와 중성미자 간의 이동 거리, 그리고 에너지에 따라 달라진다. 두 가지 중성미자 맛깔 사이의 진동 확률은 다음과 같은 형태로 나타난다.

$P(\nu_\alpha \to \nu_\beta) = \sin^2(2\theta) \sin^2\left(\frac{\Delta m^2 L}{4E}\right)$

여기서 - $\theta$ : 중성미자 혼합 각도 - $\Delta m^2$ : 두 중성미자 질량 상태 간의 질량 차이 제곱 - $L$ : 중성미자가 이동한 거리 - $E$ : 중성미자의 에너지

이 공식은 중성미자가 특정 거리 $L$ 를 이동한 후 다른 맛깔로 변환될 확률을 설명한다. 중성미자의 질량이 아주 작고, 에너지가 매우 크기 때문에 중성미자 진동은 매우 짧은 거리에서만 관측될 수 있다. 중성미자 진동은 여러 실험에서 관측되었으며, 이를 통해 중성미자가 질량을 가짐을 확인할 수 있었다.

반물질과 입자-반입자 대칭성

소립자 물리학에서 모든 입자에는 그에 대응하는 반입자(antiparticle)가 존재한다. 예를 들어, 전자( $e^-$ )에는 반입자인 양전자( $e^+$ )가 존재하며, 쿼크에는 반쿼크가 존재한다. 반입자는 입자와 동일한 질량을 가지지만, 반대의 전하를 가진다.

입자-반입자 대칭성

자연의 기본 상호작용에서 입자와 반입자는 대칭적인 역할을 해야 한다. 이 대칭성은 CPT 대칭성이라 불리며, 입자와 반입자가 시간 반전(T), 공간 반전(P), 그리고 전하 반전(C)을 동시에 받았을 때 동일한 물리적 법칙을 따름을 나타낸다.

그러나 일부 상호작용에서는 입자와 반입자가 완벽히 대칭적이지 않은 현상이 관측되었으며, 이를 CP 대칭성 깨짐(CP violation)이라고 부른다. 이는 주로 약한 상호작용에서 발생하며, 입자와 반입자의 상호작용이 미세하게 다를 수 있음을 나타낸다.

CP 대칭성 깨짐과 우주론적 의미

CP 대칭성 깨짐은 우주론적으로 중요한 의미를 가진다. 만약 입자와 반입자가 완벽히 대칭적이라면, 빅뱅 직후 입자와 반입자가 만나 모두 소멸했을 것이고, 현재의 물질은 존재하지 않았을 것이다. 그러나 약한 상호작용에서 CP 대칭성 깨짐이 존재하기 때문에, 반입자보다 입자가 약간 더 많이 남았고, 이는 결국 현재의 물질 우주를 형성하는 데 기여했다.

CP 대칭성 깨짐은 쿼크 혼합을 설명하는 CKM 행렬에서도 나타난다. CKM 행렬의 복소 성분이 CP 대칭성 깨짐을 나타내며, 이는 입자 물리학에서 관측된 미세한 불균형을 설명하는 중요한 요소이다.

중력과 중력자 (Graviton)

표준 모형에서는 강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용을 설명하지만, 중력(gravity)은 포함되지 않는다. 중력은 입자의 질량에 따라 발생하는 힘이며, 고전 물리학에서는 아인슈타인의 일반 상대성이론을 통해 설명된다.

중력자 가설

입자 물리학에서 중력을 양자화된 상호작용으로 설명하려는 시도가 존재하며, 이를 위해 중력자(graviton)라는 가상의 입자를 도입한다. 중력자는 중력을 매개하는 입자로, 스핀 2를 가지며 질량이 없는 보존으로 예측된다. 중력자는 아직 실험적으로 관측되지 않았지만, 양자 중력 이론에서는 중요한 역할을 한다.

중력은 매우 약한 힘이기 때문에, 입자 물리학에서 중력의 효과는 무시할 수 있다. 그러나 블랙홀이나 빅뱅과 같은 극한 조건에서는 중력이 중요한 역할을 하기 때문에, 중력자 이론과 양자 중력에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.