[스크랩] Quarks & Neutrinos

우리가 보통 보고 듣고 만지는 물질은 어떤 기본적인 부품으로 구성되어 있을까?

 

오늘 게시글은 인류 역사상 과학의 이름으로 가장 큰 성과로 알려진 물리학의 표준 모델

 

(Standard Model)에서 설명하는 방식으로 소개하고자 합니다.

 

 

표준 모델에서 말하는 물질의 가장 기본적인 부품재료

 

 

보통 물질의 모든 성질은 단 두 개의 렙톤(전자와 전자-뉴트리노)과 단 두 개의 쿼크(u와 d)에 기초하여 이해 될 수 있다.

 

이들은 <아래 표>의 첫째 세대를 구성한다.(세대라는 표현은 특별한 물리적 의미를 둘 필요없이 편의적으로 그 발견의 실마리가 수학적 대칭하에서 이루어진 것으로 구분하고 있으며,세번째 세대가 가장 늦게 그 입자가 발견된 바 있습니다.)

 

 

둘째 세대의 두 개 렙톤(뮤온과 뮤온-뉴트리노)과 두 개 쿼크(c와 s)는 고에너지 충돌에서 만들어지는 대부분의 불안정한 입자들과 공명에 관계한다.

 

이 모두는 첫째 세대의 구성원으로 붕괴한다. 셋째 시대의 렙톤은 질량 1.78GeV의 타우와 타우-뉴트리노며, 쿼크는 꼭대기(top) t와 밑바닥(bottom, beauty) b로 불리운다.

 

 

이 두 쿼크는 양성자 질량의 여러 배에 해당하는 큰 질량을 갖고 있어서 이들을 함유하는 하드론은 극히 높은 에너지에서만 만들어질 수 있다. b 쿼크의 존재는 1977년 증명되었으며, 마지막으로 발견된 t 쿼크는 미국의 페르미 연구소에서 1995년에 최종 확인 되었다.

 

 

하드론에 대한 쿼크 모델의 온갖 설득력에도 불구하고, 1963년 이후의 온갖 추적에도 불구하고, 독립적으로 고립되어 있는 쿼크를 찾아낸 적은 없다.

 

 

쿼크에 대한 현재 상황은 제안된 후, 82년 동안의 뉴트리노와 흡사하다.

무언가 이들의 근본적인 성격이 이들의 탐지를 방해하고 있다. 그러나, 이 둘의 유사성이 틀릴 수도 있다.

 

 

뉴트리노를 잡아내기 어려웠던 것은 단지 물질과의 약한 상호작용력 때문이었다.

반면, 쿼크가 하드론 바깥으로 나오지 못하는 데는 색력(color force)의 근본적인 어떤 면이 관여된 것으로 보인다. 말하자면 아직까지 독립적인 쿼크를 실험적으로 찾아낸 적이 없다는 것이다.

 

 

양성자에 의한 고에너지 전자의 산란실험은 쿼크의 실존을 확인하는 수준에 가까이 이르고 있다. 이 실험들은 양성자 안에 실제로 있는 세 개의 점 같은 전하분포를 드러내고 있다.

 

 

  <표>

 

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제안된 이후 82년 동안 뉴트리노는 

아직 그 질량 제원에 대한 수수께기가 풀리지 않고  있다.

 

 

발견 당시의 숨가빴던 상황을 다시 한 번 살펴 보자

 

 

 

1914년 채드윅이 베타 붕괴할 때 전자가 연속적인 에너지 스펙트럼을 갖는다는 것을 발견한

이래로 과학자들은 전자가 일정한 에너지를 갖지 않는 이유에 대해 설명하려고 노력했다.

 

엘리스(C. D. Ellis)는 베타 붕괴를 할 때 이런 연속적인 에너지 스펙트럼을 갖는 이유는 핵내부에서 전자의 에너지가 감마선으로 변환되면서 다양한 에너지 분포가 생기기 때문이라고 주장했다.

 

 

반면에, 마이트너(L. Meiter)는 핵내부에서 전자는 띄엄띄엄 에너지를 갖지만 핵외곽에서

다른 전자에 에너지를 방출해서 연속적인 스펙트럼을 갖는 것이라고 주장했다.

 

 

베타 붕괴에 의해 나오는 전자의 에너지 스펙트럼이 내부에서 진행되는 1차적인 것인지 아니면 외부에서 나타나는 2차적인 것이지를 확인하려면 베타 붕괴 때 나오는 전자를 흡수하여 생기는 절대 열 에너지를 측정하면 되었다.

 

만약 1차 과정에 의해 생긴 것이라면 열량계에서 측정된 열 에너지는 베타 스펙트럼의 평균값이 될 것이며, 2차 과정에 의해 생긴 것이라면 측정된 열 에너지는 베타 스펙트럼의 상한가가 될 것이다.

 

 

1927년 엘리스(C. D. Ellis)와 우스터(W. A. Wooster)는 라듐 E에서 생성되는 열 에너지를 측정한 결과 이것이 베타 스펙트럼의 평균값과 같음을 보였다. 이어 1930년 마이트너와 네른스트의 공동연구자였던 오르토만(W. Orthomann)은 좀더 개량된 실험 장치를 사용해서 엘리스와 우스터가 측정한 값을 더욱 정확히 다시 한번 확인했다. 더 나아가 마이트너는 이 논문에서 베타 붕괴를 할 때에 엘리스가 가정한 연속적인 감마 스펙트럼이 존재하지 않는다는 것도 보였다.

 

 

이에 따라 연속적인 베타 스펙트럼을 해석하는 두 가지 이론적 가능성이 제기되었다.

 

 

그 하나는 베타 붕괴 때에 에너지 보존 법칙을 파기하는 것이며, 다른 하나는 모든 1차 단일 과정에서도 에너지 보존법칙의 유효함을 인정하고 대신 새로운 중성 입자가 방출된다고 가정하는 것이었다.

 

 

보어는 자신이 1924년에 광양자 가설을 대체하기 위해 새로운 복사 이론을 제기할 때 했던 것처럼 이번에도 에너지 보존법칙을 파기하려고 했다

 

 

파울리는 새로운 중성 입자를 가정함으로써 에너지 보존법칙을 유지했다. 1930년 12월 파울리는 튀빙겐에서 열리는 물리학회에 바로 이 새로운 중성 입자를 가정하는 편지를 보냈다.

 

 '친애하는 방사성 신사 숙녀 여러분'(Liebe Radioaktive Damen und Herren)이라는 말로 시작하는 이 편지에서 파울리는 에너지 보존 법칙을 유지하기 위해 스핀이 1/2이고 빛과는 구별되는 새로운 중성입자를 가정했다. 파울리는 이 입자를 '중성자'(Neutron)이라고 불렀는데, 이 입자의 질량은 전자의 크기 정도로 양성자 질량의 1 % 이내가 된다고 생각했다.

 

 

1932년 채드윅은 양성자와 질량이 비슷한 새로운 중성 입자를 발견했다. 이리하여 파울리가 예언한 중성자는 채드윅이 발견한 중성입자와 구별하기 위해 1934년 페르미는 이탈리아 이름인 뉴트리노(Nutrino)라는 새로운 이름을 제안했다.

 

파울리가 에언한 이 중성미자는 1956년 로스 앨러머스의 코원(Clyde L. Cowan)과 라이니스(Frederick Reines)에 의해 마침내 실험적으로 발견되었다. 1956년 6월 15일 파울리는 코원과 라이니스로부터 다음과 같은 편지를 받았다.

 

 "우리는 양성자 역 배타 붕괴를 관찰하여 분열된 조각으로부터 뉴트리노를 분명히 관측했다는 사실을 당신에게 알려주게 되어 기쁘게 생각합니다. 관찰된 단면적은 예측된 값인 6·10－44 cm과 잘 일치합니다." 이 편지는 파울리의 놀라운 통찰력에 대한 찬사와 함께 그에게 확실한 학문적 승리를 가져다주었다.

 

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 다음은 물질의 기본입자 리스트(List of fundamental Particles)로 국제적인 입자 물리학 그룹(PDG)에서 2010년 발표한 최신 실험 데이터를 제로존 가족 여러분에게 소개합니다.

 

 

 

 

[출처] Quarks & Neutrinos (제로존 이론 공식 카페) |작성자 제로존