기본입자와 쿼크이론 <中>

 

     자료 출처 ; 프레시안 ; 최무영의 '과학이야기'

 

 

 

        쿼크이론

 

 

 

입자의 분류
  
  지금까지 물질을 구성하는 기본요소라 생각하는 알갱이들, 기본입자들을 모두 배웠습니다. 종류가 많으니까 적절하게 분류하는 게 좋겠습니다. 성질에 따라서 분류하면, 이른바 무거운 입자(바리온; baryon), 중간 정도인 중간자(meson), 그리고 가벼운 입자(렙톤; lepton)이 있습니다.
  
  무거운 입자, 바리온으로는 양성자, 중성자, 그리고 이들의 반대입자인 음양성자와 반대중성자 같은 것들이 있습니다. 중간자에 해당하는 것은 바로 앞에서 말했듯이 세 가지 파이온, 곧 가 있지요. 바리온과 중간자는 강한 상호작용, 곧 핵력이 작용할 수 있으므로 합해서 하드론이라고 부릅니다. 그리고 가벼운 입자, 렙톤으로는 전자와 중성미자, 반대입자인 양전자와 반대중성미자 같은 것들이 있습니다. 마지막으로 이들과는 다르게 빛알이 있지요.
  
  그런데 이들로 끝이 아니라 여러 실험을 통해서 별별 이상한 알갱이들이 많이 발견됐습니다. 무거운 입자가 앞서 말한 네 가지만 있는 게 아니라 같은 것들이 있고, 등 새로운 바리온을 자꾸 발견했습니다. 이런 것들을 야릇한 입자(strange particle)라고 부릅니다. 바리온 뿐 아니라 중간자도 마찬가지입니다. 처음에 파이온만 알려져 있었는데 뒤이어 케이온(kaon)이라는 것들 , 그리고 의반대입자인 가 발견되었지요. 이뿐 아니라 이니 같은 것들도 관측되었습니다.
  
  가벼운 입자도 전자 및 중성미자 외에 뮤온(muon)과 타우(tau)입자가 발견되었습니다. 보통 중성미자는 전자에 대응하므로 전자중성미자(electron-neutrino)라고 부르는데 뮤온과 타우에 각각 대응하는 뮤온중성미자(muon-neutrino)와 타우중성미자(tau-neutrino)가 따로 있습니다. 그리고 이들 모두 반대입자가 있어서 기호로 정리하면 , 그리고 로 나타내지요.
  
  그러면 기본입자는 모두 몇 가지일까요? 모르겠어요? 네, 정답입니다. 야릇한 입자가 새로 발견되면서 계속 늘어나므로 알 수 없지요. 현재는 대략 260가지쯤 되는 것 같습니다. 이런 알갱이들 대부분은 불안정하기 때문에 가만있지 못하고 붕괴하면서 다른 걸로 바뀌는 경우가 많습니다.
  
  예를 들어 나 같이 되지요. 그리고 양성자나 중성자, 파이온, 전자를 비교하면 각각 질량이 무겁고, 중간이고, 가벼우므로 이름을 무거운 입자(바리온), 중간자(메존), 가벼운 입자(렙톤)라고 붙였지만 다른 알갱이들을 비교하면 반드시 그렇진 않습니다. 렙톤인 뮤온은 메존인 파이온과 질량이 비슷하며, 타우입자는 심지어 바리온인 양성자보다도 무겁지요. 그러니까 첫 단추를 잘못 끼운 겁니다. 잘 모를 때는 조심해야 되는데 아무렇게나 해서 잘못되면 나중에 고치기도 어렵잖아요.
  
  아무튼 무겁다, 가볍다는 말이 의미가 없어지고, 종류도 워낙 많으니까 여기서도 뭔가 대칭성을 찾아야겠다고 생각했습니다. 이를 위해서 입자가 가지는 여러 성질을 생각해보지요. 예를 들어 바리온이 지닌 전기량이 얼마인가 보면 양성자나 는 +1 이고 중성자, 는 0,그리고 는 -1 입니다. 기호의 위첨자에 부호까지 붙여 전기량을 표시하지요. 양성자가 갖고 있는 전기량을 1이라 생각했을 때 얘기지요. 이는 쿨롱(C; Coulomb) 단위로 대략 1.6×10-19 C입니다. 이것이 기본전하(elementary charge)로, 앞서 언급했던 전자가 지닌 전기량도 크기는 이와 같습니다. 다만 부호가 (-)일 뿐입니다. 이보다 작은 전기량은 본 적이 없고, 모든 전기량은 이것의 정수배로 주어집니다. 일반적으로 전자와 양성자가 모여서 전기가 얻어지는 것이고, 양성자와 전자의 수에 따라 전기량이 결정되기 때문이지요.
  
  입자가 지닌 성질이 전기량만 있는 게 아니라 스핀(spin)이라고 하는 것도 있습니다. 타당한 건 아니지만 흔히 스핀을 입자의 자전에 비유하지요. 바리온은 일반적으로 스핀 값이 반정수(half-integer)로서 위의 바리온들은 모두 스핀의 값이 1/2입니다. 반면에 같은 것은 에 스핀 3/2를 가지지요. 한편 중간자는 스핀이 정수로서 0 또는 1입니다. 그밖에 야릇함이라는 성질도 있지요. 양성자와 중성자, 파이온 등은 그 값이 0이지만 야릇한 입자는 0이 아닌 정수 값을 가집니다.
  
  스핀 1/2인 바리온을 전기량 Q 와 야릇함 S 에 따라 분류해 보면 다음 그림 1과 같이 배열할 수 있습니다. 여러분이 화학에서 배웠을 원소의 주기율표는 원자의 대칭성에 따라 배열한 것인데 이 표는 기본입자인 바리온을 대칭성에 따라 배열한 것입니다. 야릇함이 같은 입자끼리 수평으로 배열되었고, 대각선 방향으로는 전기량이 같은 것끼리 배열되었습니다. 모두 8 가지의 스핀 1/2 바리온으로 이루어져서 바리온 팔중항(baryon octet)이라고 부르지요. 스핀 3/2인 바리온이나 스핀 0인 중간자, 스핀 1인 중간자도 비슷하게 전기량과 야릇함에 따라 배열할 수 있습니다.
  

▲ 바리온 팔중항

  여러 원소들을 대칭성에 의해 배열하면 성질이 주기적으로 반복하게 됩니다. 이러한 주기율표에서 빈 자리가 있다면 그 자리에 어떤 원소가 있어야 한다고 생각해서 예측하면 나중에 발견한 적이 여러 번 있었습니다. 여기에서도 스핀 3/2 바리온을 배열했을 때 빈자리로부터 를 예측하여 찾아낸 것은 널리 알려져 있습니다. 겔만(Murray Gell-Mann)이라는 사람이 이러한 배열을 제안하였고 팔정도(Eight-fold Way)라고 이름 붙였습니다. 원래 불교 용어인 팔정도(八正道)에서 따다가 영어로 이름을 갖다 붙인 거지요.
  
  그런데 이러한 분류 자체는 이론과학의 관점에서 보자면 그다지 만족스럽지 않습니다. 여러 가지 특정지식들을 분류해서 정리한 것일 뿐 왜 그런지 설명은 하지 못합니다. 왜 그런 대칭성이 있는지, 왜 저렇게 분류하면 잘 맞고 대칭성을 만족하는지에 대한 설명은 없어서 아직은 보편지식 체계로 나아가지 못했습니다. 이론과학의 관점에서, 보편지식으로 정립되려면 저런 분류가 왜 가능한지, 왜 대칭성을 잘 만족하는지를 설명할 수 있어야 합니다.
  
  그래서 바리온이나 중간자가 대칭성을 만족하는 이유가 어떤 구조를 가지고 있고, 더 기본적인 것으로 구성돼 있기 때문이라고 생각하게 되었습니다. 기본입자라고 생각한 알갱이가 몇 가지라면 그럴 듯하지만 수백 가지라면 '기본'으로 받아들이기 어렵지요. 앞서 지적했듯이 물질의 종류는 엄청나게 많지만 100가지 미만의 원자들로 다 설명할 수 있습니다. 자연계에 존재하는 원자의 종류는 모두 92가지입니다. 마지막 92번째가 우라늄이지요. 결국 원자의 종류가 100가지도 안 되는데 기본입자가 수백 가지가 된다는 건 아무래도 이상하단 말이죠.
  
  아마도 더 기본적인 요소가 있을 거라고 생각하게 되었습니다. 가장 기본이라고 생각했던 원자가 원자핵과 전자로 나누어지고, 원자핵도 양성자와 중성자들로 이뤄져 있다고 생각하듯이 양성자, 중성자도 가장 기본적인 것이 아닐 거라고 생각하게 되었죠. 이런 것들이 더 기본적인 요소들로 이뤄져 있다고 생각하면 대칭성을 아주 자연스럽게 이해할 수 있다는 겁니다. 그러한 기본요소를 쿼크라고 이름 붙였습니다.
  
  쿼크 이론
  
  쿼크 이론은 여러 가지 시행착오를 거듭하다 만들어졌습니다. 처음에 가설을 세웁니다. 예를 들어서 세 종류의 쿼크가 있다고 가정하고 논리를 전개해서 이론을 만들고 실험적 검증과정을 거칩니다. 뭔가 안 맞으면 가설을 버리고 새로운 가설을 세워서 다시 시작하는 것을 반복하였습니다. 많은 노력과 시간이 필요했지요.
  
  현대 받아들이는 이론에서는 여섯 가지의 쿼크가 있다고 생각하며, 그 종류를 맛깔(flavor)이라고 부릅니다. 그러니까 맛깔이 6 가지이지요. 이를 u, d, c, s, t, b 로 표시합니다. 각각 위(up), 아래(down), 매혹(charm), 야릇한(strange) 쿼크입니다. 맨 뒤의 t 와 b 는 처음에는 진리(truth)와 아름다움(beauty)이라고 불렀는데 요새는 주로 꼭대기(top)와 바닥(bottom) 쿼크라고 부르지요.
  
  여섯 가지의 맛깔을 다음과 같이 나타냅니다.
  
  
  
  
  위쪽에 있는 건 전기량이 2/3이고 아래쪽 것은 -1/3을 갖고 있다고 생각이 됩니다. 물론 기본전기량을 1이라 생각했을 때 얘기지요. 앞서 기본전기량보다 작은 전기량은 본 적이 없고, 모든 전기량은 기본전기량의 정수배로 주어진다고 했습니다. 그런데 놀랍게도 쿼크가 지닌 전기량은 이것의 정수배가 아니라 이른바 분수전하(fractional charge)입니다.
  
  쿼크의 반대입자로서 반대쿼크(anti-quark)도 있습니다. 당연히 쿼크처럼 여섯 가지 맛깔이 있어서 이런 식으로 표시하지요. 뿐만 아니라 쿼크는 세 가지 빛깔(color)을 가질 수 있다고 생각합니다. 이를테면 빨강 R, 파랑 B, 초록 G로 표시하지요. 물론 일상의 의미로 맛이나 빛깔을 지닌 건 절대로 아닙니다. 쿼크의 성질을 기술하는데 장난스럽게 맛깔, 빛깔이라고 이름붙인 겁니다. 물리학자는 장난스러운 면이 있지요. 처음에 강조했듯이, 자연과학에서 쓰는 개념이 일상의 개념과는 다를 수 있습니다.
  
  이에 따라 바리온과 중간자는 모두 쿼크로 이뤄져 있다고 생각합니다. 예를 들면 가장 간단한 것으로 양성자는 두 개의 위(u)쿼크와 한 개의 아래(d)쿼크로 구성되어 있다고 생각하지요. 기호로 라고 쓰며, u 쿼크의 전기량이 2/3이고 d 쿼크는 -1/3이니까 전체 전기량은 1이 됩니다.
  
  중성자는 어떨까요? 입니다. 따라서 양성자와 비슷하지만 u 하나가 d 로 바뀌어서 전기량은 0이 되지요. 반대양성자도 있잖아요. 입니다. 야릇한 입자인 로 전기량은 -1/3가 셋 모였으니 합해서 -1이 되는 거죠. 짐작하겠지만 야릇하지 않은 양성자나 중성자는 u, d로만 이루어지고 야릇한 알갱이들은 s 가 포함됩니다.
  
  한편 중간자는 이렇습니다. 등이지요. 여기서 와 를 비교해보면 와 , 그리고 와 가 서로 바뀌었으니 서로 반대입자임을 알 수 있습니다. 이처럼 쿼크 이론에서는 입자와 반대입자, 전기량, 야릇함 등의 성질을 구성 쿼크들로부터 쉽게 이해할 수 있지요.
  
  바리온은 언제나 세 가지 쿼크로 이뤄져 있는데 각각의 빛깔이 R, B, G입니다. 그럼 전체 빛깔은 어떻게 되겠어요? 희게 됩니다. 희다는 건 빛깔이 없다(colorless)는 뜻이지요. 중간자는 두 개의 쿼크로 이뤄져 있는데 하나는 입자, 하나는 반대입자입니다. 따라서 빛깔이 하나가 R이면 다른 하나는 , 곧 R의 보색입니다. 어떤 색에 보색을 합치면 역시 빛깔이 없어져서 희게 되지요.
  
  왜 이런 생각을 하냐면 양성자, 중성자, 반양성자, 중간자 같은 것들은 실험적으로 관측하지만, 쿼크 하나는 아직 본 사람이 없습니다. 말하자면 분수 전하가 있는 걸 본 사람은 없어요. 그 이유를 우리는 하양, 곧 빛깔이 없는 경우에만 관측할 수 있기 때문이라고 생각하자는 겁니다. 쿼크 하나는 빨강, 파랑, 초록 빛깔을 지니고 있으므로 우리가 볼 수 없습니다. 쿼크가 두 개나 세 개가 결합해서 빛깔이 없도록 만들어야 비로소 볼 수 있습니다. 그 이유는 쿼크끼리 강한 상호작용, 바로 핵력에 의해 엄청나게 강하게 묶여있기 때문이지요. 이는 널리 알려진 현상인데, 전문적인 용어로 빛깔 가둠(color confinement)이라고 부릅니다. 이런 쿼크들끼리의 상호작용을 다루는 이론을 양자빛깔역학(quantum chromodynamics)이라 하는데 흔히 줄여서 QCD라고 부릅니다.
  
  일반적으로 쿼크와 그 자신의 반대쿼크로 이루어진 (따라서 빛깔 뿐 아니라 맛깔도 없는) 중간자를 쿼코늄(quarkonium)이라 부릅니다. 이중에 널리 알려진 녀석이 차모늄(charmonium), 곧 인데 처음 관측된 것을 J/Ψ라고 표시했습니다. 이름이 두 글자라 좀 이상하지요. 왜 그렇게 되었냐면 이 알갱이는 두 사람이 독립적으로 발견하고 동시에 발표했습니다. 한 사람은 팅(Samuel Ting)인데 이를 J로 이름 붙였습니다. 또 다른 사람은 리히터(Burton Richter)로 이름을 Ψ라고 지었지요. 그래서 결국 이름이 J/Ψ로 되었습니다. 그런데 사실 팅이란 사람은 중국계로 정(丁)의 중국 발음이 '팅'입니다. 그러니까 정 씨인데 알갱이 이름으로 자기 성을 붙인 겁니다. 그런데 한자 丁이 영어로는 J로 보이지요.
  
  
  

▲ 사무엘 팅(Samuel Ting)

  이제 기본입자에 대해 모두 알게 됐습니다. 물질을 구성하는 가장 기본적인 요소가 무엇인지 배운 거지요. 앞으로는 무거운 입자, 곧 바리온이나 중간자 같은 말은 버려야 합니다. 그것들은 기본이 아니고, 쿼크로 구성돼 있으니까요. 따라서 기본입자는 세 가족으로 나누는데, 쿼크 가족(quark family), 렙톤 가족(lepton family), 그리고 게이지입자(gauge particle)입니다. 모든 알갱이들은 결국 이러한 세 가지로 이뤄져 있지요.
  

▲ 버튼 리히터(Burton Richter)

  쿼크 가족은 알다시피 위, 아래, 매혹, 야릇함, 꼭대기, 바닥의 여섯 가지가 있습니다. 렙톤 가족은 전자와 전자중성미자, 뮤온과 뮤온중성미자, 그리고 타우와 타우중성미자가 있습니다. 역시 여섯 가지네요. 뮤온은 전자와 성질이 아주 비슷한데 질량만 전자의 200배 정도로 훨씬 무겁습니다. 타우도 마찬가지인데 질량은 뮤온보다도 훨씬 커서 전자의 수천 배이지요.
  
  쿼크 가족
  
  렙톤 가족
  
  이렇게 해서 보다시피 짝이 맞습니다. 쿼크와 렙톤의 두 가족이 있는데 세로 열이 세대(generation)를 나타냅니다. 1대, 2대, 3대의 세 세대가 있네요. 그러니까 부모 세대, 딸과 아들 세대, 그리고 손녀, 손자 세대가 있습니다.
  게이지입자는 기본입자들 사이의 상호작용을 전해주는 알갱이들입니다. 대표적인 것으로 빛알이 있지요. W+와 W-, 그리고 Z0라는 것이 있고, 붙임알(gluon)이라는 알갱이도 있습니다. 마지막으로 중력알(graviton)이 있지요. 이들이 전해주는 기본상호작용(fundamental interaction), 곧 기본입자들 사이의 상호작용에 대해서 알아봅시다.

 

최무영/서울대 교수