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[2004 노벨 물리학상, David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek, “강력 상호작용 이론에서의 점근적 자유성(漸近的 自由性) 발견(for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction)”에 대한 공로로 수상, 최소 입자인 쿼크의 비밀(Secrets of Quark) 풀어, 소립자물리학 표준 모델(Standard Model of Microcosmos or Elementary Particle) 및 양자색력학(Quantum ChromoDynamics, QCD, or Theory of Colo(u)r Interactions) 완성에 기여(Oct/2004)]

2004년 노벨물리학상은 강력 상호작용 이론에서의 점근적 자유도 발견(for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction) 방법으로 약력(Weak force)-강력(Strong or Colo(u)r force)-전자기력(Electromagnetic force)간에 상호작용하는 양자색력학(QED, Quantum ChromoDynamics)베이스의 통합 표준모델(Standard Model) 정립에 공헌한 미국 UC Santa Barbara의 데이비드 그로스(David J. Gross) 박사, 캘리포니아공대(CIT)의 데이비드 폴리처(H. David Politzer) 박사, 그리고 MIT 공대의 프랭크 윌첵(Frank Wilczek) 교수 등에게 수여되었다. 이들은 그간의 난제였던 우주에 작용하는 힘의 하나인 강력(强力)의 비밀을 풀어냈다. 강력은 원자핵이 존재할 수 있게 하는 것으로 이 힘이 없으면 우주 만물의 형상도 만들어질 수 없다. 밀가루가 물이 없으면 뭉쳐질 수 없듯이, 물질의 최소 입자 중의 하나인 쿼크들이 없으면 최후의 물질 만들 수 없기 때문이다.
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[목차]

1. 자연에 존재하는 4개의 힘(Four Forces)
1-1. 거시세계를 구성하는 만유인력(중력)
1-2. 미시세계를 구성하는 전자기력(電磁氣力) 또는 전기력(電磁力)
1-3. 극미세계의 강력(强力)이란 무엇인가? 왜 색(Colo(u)r)인가?
1-4. 중력-전자기력-강력의 특성
1-5. 방사선 중 베타선(β, Beta Decay)이란 무엇인가?
1-6. 약력(弱力) 이란 무엇인가?
2. 양자론-양자역학이란?
2-1. 하이젠베르크(Werner Heisenberg, 1901-1976)의 불확정성 윈리(Heisenber's Uncertainty Principle)
3. 소립자란 무엇인가?
4. 소립자의 분류 ? 질량에 따라 보존(Boson), 렙톤(Lepton), 메존(Meson), 바리온(Baryon)
5. 쿼크(Quark)란 무엇인가?
6. 표준 모형(Standard Model)이란 무엇인가?
7. 매개입자(Carrier Particle)란 무엇인가?
8. 점근적 자유성(asymptotic freedom)과 양자색력학(QCD)이란 무엇인가?
9. 2004 노벨 물리학상 수상자의 업적 - 소립자물리학 표준 모델
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1. 자연에 존재하는 4개의 힘(Four Forces)
1-1. 거시세계를 구성하는 만유인력(중력)

자연에 존재하는 기본 상호작용(Interactions)의 힘은 네 가지인데, 이들을 정리하면 흥미로운 규칙성을 발견한다. 첫번째 기본 상호작용인 뉴톤의 만유인력의 힘인 중력(Gravity Force)은 한가지 종류로 이루어진 질량 사이의 상호작용이며 이는 거시세계(Macro World)를 구성한다. 이 만유인력(중력)은 사물들(Objects)로 하여금 땅으로 떨어지게 하고 동시에 행성들이나(planets) 은하계(galaxies)의 운동을 관장한다. 이 중력은 어떤 면에서는 가장 거대한 힘인데, 예를 들어 혜성(comets)들에 의해 형성된 커다란 분화구 운석(craters)들은 지구를 강타할 수 도 있으며, 이 중력에 의해 우리는 인공위성(satellite)을 우주에 쏘아 올리기 위해 거대한 로켓 추진기기 필요한 것이다. 그렇지만, 전자(Electrons)나 양성자로 구성된 미시세계(Microcosmos)에서는 중력의 힘은 극단적으로 약하여 거의 작용을 하지 않고 있어 독립적인 것처럼 보인다는 사실이다.

[참조] [이하 소립자의 기본적인 내용은 인하대학교 물리화학부 [차동우] 교수님의 <교양물리>의 3장인 <기본 상호작용>을 참조하였다.]

1-2. 미시세계를 구성하는 전자기력(電磁氣力) 또는 전기력(電磁力)

두 번째 기본 상호작용인 전자기력은 두 가지 종류로 이루어진 전하 사이의 상호작용이며 원자 내부의 세계 즉 미시세계를 구성한다. 전자기력 상호작용은 우리 주위에서 일어나는 일반적인 현상들을 책임진다. 예를 들어 마찰(friction), 자기작용(magnetism) 등은 마루에서 우리 인간들이나 사물들로 하여금 떨어져 파괴되지 않도록 한다. 전자기력의 상호작용은 하나의 전자와 하나의 양성자를 묶고 있기 때문인데, 그러므로 물질의 기본 구성 단위인 원자가 전기적으로 중성이므로 원자들 사이에는 전기력이 작용하지 않으며 우리 주위 세계에서는 만유인력만 존재할 뿐 전기력은 원자 내부에 꼭꼭 숨겨져 있다. 그래서 100년 전까지만 하더라도 지렛대라든지 도르레 등 만유인력을 유용하게 이용하는 기구들만 활용되었을 뿐이다. 그러나 디지털 시대인 요즈음엔 우리는 이들 전기력을 이용한 무수한 전자 제품들을 만들어 활용하고 있으며, 실리콘 원자의 원자핵의 주위를 도는 전자를 제어한 반도체 베이스의 컴퓨팅을 누구나 활용하고 있다.

그런데 만유인력(중력)과 전자기력 사이에 중요한 차이점이 존재한다. 그것은 미시세계에서는 중력이 거의 작용을 하지 않으므로, 전자기력은 대단히 강한 힘인 반면 만유인력은 매우 약한 힘이라는 것이다. 적당한 방법으로 단순 비교를 한다면 전기력은 예를 들어 하나의 수소원자는 중력보다 무려 1041 배정도 더 강하다. 이것은 엄청난 수이다. 만일 양성자가 지닌 양전하의 양과 전자가 지닌 음전하의 양이 소수점 이하 41자리에서 비로소 틀리기 시작한다면 두 원자 사이에 작용하는 만유인력과 전기력의 세기가 비슷해 진다는 이야기이다. 만일 원자가 완전히 중성이 아니라면 전기력의 효과가 어떻게 나타났을 지 상상하기가 어렵다.

이러한 상당한 차이에도 불구하고 중력과 전자기력의 상호작용은 유사성도 있음이 밝혀졌다. 예를 들어 상호작용 힘(interaction strength)은 거리와 거리의 범위에 따라 줄어든다는 것이다. 전자기력과 중력은 매개입자들(force carriers)인 광자(photon, 빛의 입자)와 중력양자(graviton)에 의해 조정(mediated)된다는 것이다. 문제는 광자에 반하여 중력양자는 아직 발견되지 않았다는 점이다. 아마도 거리가 너무 먼 까닭에 중력양자가 지구에 도달했을 때는 아무런 여유 분의 질량(no rest mass)이 없기 때문인 것으로 해석된다. 하지만 태양으로부터의 광자들은 지구상의 생물체가 살아가는데 반드시 필요한 것이다. 그렇지만 태양의 휴전(fusion)으로부터 에너지가 생성될 때 표준 모델(Standard Model)의 다른 나머지 두 개의 힘인 강력(强力)과 약력(弱力)도 중요한 역할을 하고 있다는 사실이 밝혀졌다. 광자는 중요한 성질을 갖고 있는데, 물론 몇몇의 광자는 전하를 갖고 있지만, 전기적으로 중성이라는 점이다. 그러므로 광자들은 서로 상호작용을 하지 않는다.

1-3. 극미세계의 강력(强力)이란 무엇인가? 왜 색(Colo(u)r)인가?

1964년에 인도 출신인 미국 캘리포니아공대(CIT) 물리학자 겔만(Murray Gell-Mann)은 양성자(Proton)와 중성자(Neutron) 같은 소립자가 세 개의 쿼크(Quark)라고 부를 수 있는 더 기본이 되는 입자로 구성되어 있다면 그 동안 관찰한 소립자들 사이에서 규칙적으로 일어나는 성질을 설명할 수 있다고 제안하였다. 그리고 쿼크가 소립자의 구성 입자가 되려면 쿼크는 질량이나 전하(Charge)와 같은 고유한 성질 외에도 다른 성질을 더 지니고 있어야만 했다. 그뿐 아니라 질량은 한가지 종류, 전하는 두 가지 종류로 나뉘는데 반하여 쿼크가 지니고 있을 이 다른 성질은 세가지 종류로 나뉘어야만 했다.

[참조][겔만(Murray Gell-Mann)은 이들 “기본 소립자(elementary particles) 의 분류 및 상호작용에 대한 발견”으로 1969년 노벨 물리학상을 수상하였다.]

세가지 종류로 나뉘는 성질의 이름으로 마땅한 것이 바로 생각나지 않았다. 그런데 이 경우에 사용하기에 딱 알맞은 것이 있는데 그것이 바로 빛의 삼원색이다. 두 가지 종류로 나뉘는 전하의 경우 두 종류가 같은 양으로 섞여 있으면 전기적으로 중성임을 나타내기 위해 양전하(+)와 음전하(-)로 구별하는 것이 아주 그럴 듯 하였다. 쿼크가 지닌 이 성질도 양성자와 중성자의 외부로는 전혀 나타나지 않는다. (이것은 원자 내부에 포함된 전하가 원자 밖에서는 전혀 나타나지 않는 것과 같다.) 빛의 삼원색은 세 종류가 알맞게 섞이면 백색(White Light)이 된다. 그래서 쿼크가 지닌 이 세가지 종류로 나뉘는 성질의 이름을 색(Colo(u)r)이라고 부르며 빛의 삼원색을 따서 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue)으로 구별한다. 양성자나 중성자를 이루는 쿼크에는 이들 삼원색이 잘 섞여 들어있어서 양성자나 중성자의 외부에서는 색을 전혀 지니지 않은 것으로 보인다. 그리고 이들 색 사이의 상호작용을 강상호작용 또는 강력(强力)이라고 부르며 이것이 자연에 존재하는 세 번째 기본 상호작용이며 세 번째 힘(3rd Force)인 것이다. 강력은 오로지 양성자나 중성자와 같은 소립자 내부에서만 작용하며 이들 소립자의 구성을 책임진다. 어떤 쿼크든지 이 세가지 색 중에서 어느 한가지 색을 가질 수 있다. 즉 u 쿼크가 red 일수도 있으며 green 일수도 있고 blue 일 수도 있다. 그리고 쿼크의 반입자는 이 색들의 보색을 가지고 있다.

이러한 빛의 삼원색베이스의 쿼크들의 상호작용을 양자색력학(量子色力學, QCD, Quantum ChromoDynamics or Theory of Colo(u)r Interactions) 이론이라 한다.

1-4. 중력-전자기력-강력의 특성

이들 기본 상호작용은 앞에서 설명한 것처럼 이 세상의 특정한 부분의 구성을 책임지고 있다는 사실은 매우 흥미롭다. 더욱 흥미로운 사실은 거시세계에서는 단지 만유인력만 동작하고 전자기력이나 강력은 완벽하게 제외되어 있으며 미시세계에서는 만유인력과 강력이 완전히 제외되어 있고 극미세계에서는 만유인력과 전기력이 제외되어 있어 별개의 독립된 힘으로 보인다는 점이다.

원자 내부에는 양전하와 음전하가 완벽하게 동일한 양이 포함되어 있기 때문에 거시세계에서는 전기력이 나타나지 않는다. 한편 미시세계인 원자를 구성하는 원자핵과 전자는 질량을 지니고 있으나 앞에서 설명한 것처럼 만유인력의 세기가 전기력에 비해 너무 약하기 때문에 없는 것이나 마찬가지이다. 강력은 핵자(중성자와 양성자=Nucleon)의 외부로는 나타나지 않기 때문에 미시세계에서 동작하지 않는다.

거시세계와 미시세계의 중간쯤에 위치한 분자들의 세상을 지배하는 분자력은 기본힘이 아니고 기본힘인 전기력을 근원으로 하는 매우 약해진 힘이다. 극미 세계인 양성자 등의 내부 세계에서는 강력이 전기력보다 훨씬 더 세며 그래서 핵자를 구성하는데 전기력의 효과는 수 % 미만이다. 미시세계와 극미세계의 중간쯤에 위치한 원자핵 세계에서 핵자들 사이에 작용하는 핵력도 기본힘이 아니고 기본힘인 강력을 근원으로 하는 매우 약해진 힘이다. 그럴지라도 핵력이 전기력보다는 훨씬 더 세다.

자연에서 변화가 일어나면 그것은 상호작용이 동작하고 있음을 알려주는 증거가 된다. 이것을 돌려서 말하면, 만일 상호작용이 없다면 아무런 변화도 일어날 수 없다고 말할 수도 있다. 그리고 주어진 상호작용이 일으킬 수 있는 변화는 미리 정해져 있다. 예를 들어 밤하늘에 수퍼노바라고 불리는 신성이 출현한다면 그것은 만유인력 상호작용이 동작했음을 알려준다. 각종 화학 반응은 전기 상호작용이 동작한 결과이다. 수명이 아주 짧은 소립자가 수명을 다하고 다른 입자로 바뀌는 것은 차후 설명하겠지만 바로 약력의 상호작용으로 일어난다.

1-5. 방사선 중 베타선(β, Beta Decay)이란 무엇인가?

그런데 19세기 말 방사능 원소에서 저절로 나오는 알파선과 베타선 그리고 감마선 중에서 베타선은 지금까지 설명한 세가지 기본 상호작용 중 어떤 것으로도 설명할 수가 없었다. 이들 방사선은 모두 원자핵에서 나오는 것이다. 처음에는 이 방사선의 정체가 무엇인지 몰라서 그리스 문자의 처음 세 개를 따 알파, 베타, 감마로 이름을 지었지만 지금은 이들 방사선의 정체가 무엇인지 잘 알고있다.

알파선은 원자핵 속에 들어있는 양성자 두개와 중성자 두개가 모두 단단히 결합하여 함께 나오는 것이다. 이것은 바로 헬륨 원자의 원자핵이다. 베타선은 전자의 흐름이며 감마선은 진동수가 매우 큰 전자기파이다. 여기서 문제는 원자핵 내부에 전자가 들어있을 수 없다는 사실이다. 방사능 원소에서 베타선이 방출되는데 원자핵에 원래 들어있던 전자가 나오는 것이 아니다. 원자핵에 포함된 중성자가 저절로 양성자와 전자로 바뀐 다음 원자핵에 남아있을 수 없는 전자가 바깥으로 나오는 것이다.

1-6. 약력(弱力) 이란 무엇인가?

그런데 중성자가 저절로 양성자와 전자로 바뀌는 현상을 만유인력이나 전기력 또는 강력으로 설명할 수는 도저히 없음이 밝혀졌다. 그래서 방사능 원소에서 베타선이 나온다는 사실은 자연에 또 다른 기본 상호작용이 존재하여야만 함을 알려준다. 이 네 번째 기본 상호작용을 약력((弱力) 또는 약상호작용이라고 부른다. 물리학자들은 베타선의 방출 말고도 약상호작용이 동작하여 일어나는 현상을 많이 알고 있으며 그뿐 아니라 이 약상호작용에는 다른 기본 상호작용이 지니지 않은 많은 특별한 성질들도 지니고 있음을 알고있다. 그러나 약상호작용에 대해서는 아직 모르는 것이 더 많으며 현재 물리학자들이 가장 활발하게 연구하고 있는 분야 중에서 하나이다.

빛처럼 원자 내부의 미시세계에서 나오는 것들을 모두 한꺼번에 방사선 또는 복사선 등으로 부른다. 영어로는 이런 것들을 모두 한가지 단어로 radiation이라고 부른다. 그 중에서 특히 복사선은 물질이 관여하지 않는 순수한 에너지 흐름이라는 의미에서 전자기파를 부를 때 주로 이용되지만 전자기파 중에서 빛이나 빛보다 나르는 에너지가 큰 자외선, 엑스선, 감마선 등을 부를 때 주로 이용된다.

원자(atom)는 원자핵(nucleus)과 전자(electron)로 구성되어 있고 원자핵에는 다시 양성자(proton)와 중성자(neutron)가 들어있다. 양성자는 양전하를 띄고 있고 중성자는 전하를 띄고 있지 않다는 점만 제외하면 양성자와 중성자는 엄밀하게 쌍둥이 입자이다. 즉 똑같은 입자이다. 그래서 양성자와 중성자를 한꺼번에 핵자(nucleon)라고 부르기도 한다.

분자를 더 쪼개면 원자가 된다. 원자는 더 이상 물질의 성질을 갖고 있지 않다. (물론 단 한 개의 원자로 존재하는 물질도 있다.) 세상에는 수많은 종류의 물질이, 그러니까 수많은 종류의 분자가 있지만 자연에 저절로 만들어져 있는 원자는 단지 92가지만 존재한다. 가장 가벼운 원자가 수소이고 가장 무거운 원자가 우라늄이다. 그래서 가벼운 순서로 번호를 매겨서 수소의 원자번호가 1, 헬륨의 원자번호가 2, 가장 무거운 우라늄의 원자번호가 92이다.

2. 양자론-양자역학이란?

검은 물체 복사 공식을 설명하는데 왜 그런지는 몰라도 에너지를 어느 값보다 더 작게 나누면 안 되는 것을 알았다. 그런데 바로 그 점이 미시세계의 자연법칙을 이해하는데 가장 첫걸음이 되었다. 에너지가 어떤 최소값보다 더 크게만 존재한다는 이론이 양자론을 구성한다. 양자(量子, quantum)란 에너지 덩어리 또는 에너지 알갱이를 뜻한다. 그래서 양자론이란 에너지가 덩어리 또는 알갱이로 존재한다는 것을 기본으로 하는 이론이다. 이 양자론과 아인슈타인의 상대론 두 가지가 20세기 초 새롭게 등장한 현대물리학의 기본 내용이 된다.

[참조][아인슈타인(Albert Einstein, 1879-1955)은 1921년 상대성 이론이 아닌 “광전기 효과(the photoelectric effect)’의 발견으로 노벨 물리학상을 수상했다.]

고전 역학에서는 물체의 위치를 시간의 함수로 구한 것이 그 물체에 대한 모든 정보이다. 양자 역학에서는 물체의 파동 함수를 위치와 시간의 함수로 구한 것이 그 물체에 대한 모든 정보이다. 다시 말하면 미시세계에서는 거시세계처럼 물체의 위치를 바로 알 수가 없다. 물체의 파동함수로부터 그 물체의 위치도 알아내고 속도도 알아내고 그 밖에 그 물체에 속한 다른 물리량도 알아낸다는 것은 불가능하다. 그러나 파동함수 자체는 거시세계에서 대응하는 것이 없다. 즉 그 물체의 파동함수 자체는 측정하는 양도 아니고 어떤 거시적인 물리량을 대표하는 양도 아니다. 이처럼 거시세계와 미시세계는 단순히 운동 방정식이 다른 것 뿐만이 아니라 세계를 기술하는 방법도 다른 것이다.

2-1. 하이젠베르크(Werner Heisenberg, 1901-1976)의 불확정성 윈리(Heisenber's Uncertainty Principle)

하이젠베르크는 20세기 가장 위대한 물리학자 중 한 사람이다. 그는 미시세계의 자연법칙인 양자역학을 세운 사람 중의 한 사람으로 가장 유명하며 특별히 양자 이론에서 불확정성 원리를 제안한 사람으로 유명하다. 그래서 하이젠베르크 하면 불확정성 원리를 연상하며 불확정성 원리는 하도 유명해서 물리학 바깥 세상에서 까지 불확정성 원리가 입에 오르내린다. 그러나 불확정성 원리는 양자역학에서 아주 특정한 현상에 대한 것이지 일반적으로 통용될 성질의 것은 아니다. 하이젠베르크는 1932년 노벨물리학상을 수상했다.

하이젠베르크가 1927년 발표한 불확정성 원리를 한마디로 설명한다면 다음과 같이 말할 수 있다.

* 전자의 위치를 더 정확히 측정하면 할수록 측정하는 순간의 운동량(전자의 질량과 속도를 곱한 양)은 더 덜 정확히 알게 되며, 전자의 운동량을 더 정확히 측정하면 할 수록 그 순간의 전자의 위치는 더 덜 정확히 알게 된다(The more precisely the position is determined, the less precisely the momentum is known in this instant, and vice versa. --Heisenberg, uncertainty paper, 1927)

위의 내용은 전자와 같이 원자 내부 세계에 포함된 입자에게 적용되는 위치와 운동량 사이의 불확정성 원리를 간결하게 표현한 것이다. 전자의 위치가 정확히 결정된다면 전자의 속도는 정말로 아무 값이나 가질 수 밖에 없다는 것이 불확정성 원리가 말하는 것이다. 같은 방법으로 전자의 속도가 정확히 결정된다면 이 전자는 어디에 위치하는지 도저히 알 수 없다는 것이 불확정성 원리가 말하는 내용이다.

3. 소립자란 무엇인가?

고대 그리스시대로부터 사람들은 자연을 구성하는 다양한 물질이 몇 가지의 기본되는 요소로 이루어져 있을 것으로 예상하였다. 그 중에서 중세에 이르는 오랜 기간동안 사람들이 그럴듯하다고 믿는 것이 고대 그리스의 엠페도클레스가 제안하고 플라톤과 아리스토텔레스에 의해 계승된 4원소설이다. 4원소설은 자연의 모든 물질이 흙, 물, 불, 공기 등 네 가지 원소로 이루어져 있으며 이들의 구성비에 따라 자연을 이루는 다양한 물질이 된다고 설명한다. 예를 들어 뼈는 절반이 불이며 나머지 절반은 각각 흙과 물로 되어 있다. 아리스토텔레스는 이 4원소설에 냉, 열, 건, 습 등 네 가지 성질을 추가하여 만물이 형성되고 변화한다고 생각하였다.

[참조][영화 제 5원소(The 5th Element)에 보면 이들 4가지 원소에 사랑이라는 원소가 포함되어 있다.]

이렇게 해서 사람들은 양성자와 중성자가 더 이상 쪼갤 수 없는 기본입자라는 확신 을 할 수 있게 되었다. 그래서 이렇게 더 이상 나뉘어지지 않는 입자에 적당한 이름을 부여하기로 하였다. 그런데 더 이상 쪼갤 수 없다는 의미인 원자(atom)는 이미 사용해버렸다. 그렇다고 지금 까지 원자라고 부른 것을 다른 이름으로 부를 수도 없는 노릇이었다. 그래서 양성자와 중성자 그리고 전자 등 더 이상 쪼개지지 않는 입자를 '소립자'라고 부르기로 하였다. 여기서 '소'는 작다는 의미의 '小'자가 아니고 기본이 된다는 의미의 '素'자이다. 영어로는 elementary particle이라고 부른다.

4. 소립자의 분류 ? 질량에 따라 보존(Boson), 렙톤(Lepton), 메존(Meson), 바리온(Baryon)

소립자들을 크게 네 가지로 분류하는데, 그 분류는 우선 질량에 근거하여 보존(Boson)이나 바리온(Baryon)으로 나뉘는데, 질량이 ‘0’으로 가장 가벼운 것을 보존(Boson), 그리고 질량이 가장 무거운 것을 바리온(Baryon)으로 나눈다.

가장 가벼운 입자인 광자(Photon)은 질량이 ‘0’이며 전하도 중성인 ‘0’으로 이를 보존(Boson)이라 부른다.

보존과 같이 질량이 ‘0’이지만 고유스핀이 1/2인 가벼운 입자를 경입자라고 부르는데 영어로는 렙톤(lepton) 이라고 부른다. 렙톤은 그리스어로 가볍다는 뜻이다. 대표적인 렙톤이 전자이다. 또 다른 렙톤으로는 중성미자 또는 뉴트리노(neutrino)라고 불리는 입자가 있는데, 이 입자는 원자핵의 베타 붕괴에서 중성자가 양성자와 전자로 바뀔 때 함께 나오는 질량이 거의 영인 입자이다.

질량이 중간쯤 되는 입자를 중간자라고 부르는데 영어로는 메존(meson)이라고 한다. 메존은 그리스어로 중간이라는 뜻이다.

질량이 큰 소립자를 중입자라고 부르는데 영어로는 바리온(baryon)이라고 한다. 바리온은 그리스어로 무겁다는 뜻이라고 한다. 바리온은 양성자와 중성자 이외에도 델타 입자, 오메가 입자 등 수많은 바리온들이 관찰되었다.

5. 쿼크(Quark)란 무엇인가?

자연의 궁극적인 기본 입자일 것이라고 믿었던 소립자들의 수가 엄청나게 많아졌을 뿐 아니라 소립자들 사이에서 규칙성을 찾을 수 있게 됨에 따라 마침내 1964년에 겔만(Murray Gell-Mann)과 즈베이그가 쿼크라는 가상적인 기본 입자의 존재를 제안하게 된다. 처음 그들은 그러한 규칙성을 설명하기 위해 실제 물리적 존재라기 보다는 일종의 수학적 도구로 제안하였으며 따라서 쿼크를 실재 물리적인 입자로 받아드리기까지 상당한 기간이 경과하였다.

섯 개에서 늘어나는 것을 멈추었다. 그렇게 상당한 기간이 경과한 뒤 지금은 소립자의 성질이나 그 밖에 자연의 동작원리를 설명하는 것이 어느 정도 안정되게 자리잡게 되었고 이제 가능한 거의 모든 실험을 설명할 수 있는 이론을 갖게 되었다

6. 표준 모형(Standard Model)이란 무엇인가?

표준 모형은 소립자 물리학에서 미시세계를 설명하는 이론이다. 표준 모형은 미시세계를 구성하는 구조(structure)가 없는 궁극적인 기본 입자와 이들 기본 입자들 사이의 기본 상호 작용에 대한 이론으로 짜여져 있다. 표준 모형은 궁극적인 기본 입자를 크게 두 가지 종류로 나눈다. 하나는 물질을 구성하는 입자이고 다른 하나는 상호 작용을 매개하는 입자이다. 그리고 기본 상호작용은 우리가 이미 알고 있는 전기력과 강력 그리고 약력이다.

물질을 구성하는 기본 입자는 6개의 쿼크와 6개의 렙톤으로 구성되어 있다. 쿼크와 렙톤은 모두 고유스핀이 1/2인 페르미온이다. 즉 물질을 구성하는 입자는 모두 페르미온이다. 이들 12개의 물질을 구성하는 기본입자 각각에 대응하는 반입자도 또한 존재한다. 그래서 반입자까지 포함하면 물질을 구성하는 기본입자는 모두 24개가 된다.

쿼크의 이름은 그림에 나온 up(u), down(d), charm(c), strange(s), top(t), botton(b) 등이다. 위쪽 줄에 나온 u, c, t 쿼크의 전하는 모두 +(2/3)e 이고 아래쪽 줄에 나온 d, s, b 쿼크의 전하는 모두 -(1/3)e 이다. 이 쿼크들이 (u, d), (c, s), (t, b) 등 세 가족으로 짝 지워져 있는데 각각의 짝을 가족이라고 부르고 쿼크를 u, d, c, s, t, b 등으로 구별하는 것을 맛이라고 한다. 그래서 쿼크는 여섯 가지 맛으로 구성되어 있고 이들이 두개씩 가족을 이루고 있다고 한다.

쿼크가 모여 바리온(Baryon)과 메존(Meson)을 만든다. 바리온은 쿼크 세 개로 구성되어 있다. 예를 들어 양성자 는 (u, u, d) 쿼크로 이루어져 있고 중성자는 (u, d, d) 쿼크로 이루어져 있다. 쿼크에 기묘도 양자수도 부여한다. u 쿼크와 d 쿼크의 기묘도는 0이고 s 쿼크의 기묘도는 -1이다. 그래서 기묘도가 0인 바리온은 s 쿼크를 포함하지 않고 기묘도가 -1인 바리온은 s 쿼크를 한 개, 기묘도가 -2인 바리온은 s 쿼크를 두개 포함하고 있다.

쿼크들이 3개 모여 바리온을 만들 때 꼭 지키는 규칙이 있다. 그것은 쿼크들의 색을 모두 더하면 백색이 되어야 한다는 것이다. 예를 들어 양성자의 경우 두 u 쿼크의 색이 각각 red와 green 이고 나머지 d 쿼크의 색이 blue 일 수 있다. 그러면 이들이 삼원색이므로 모두 더해 백색이 된다. 이것은 마치 전기력에 의해 구성된 원자는 전기적으로 중성인 것만 존재하는 것과 비슷하다. 바리온은 쿼크들이 강력에 의해 결합되어 만들어진 것인데 쿼크들이 백색을 이루지 않으면 바리온으로 존재할 수 없는 것이다. 만일 쿼크가 단독으로 존재한다면 백색이 될 수가 없다. 이것이 쿼크를 따로 떼어 내지 못하는 이유를 가장 간단히 설명할 수 있는 방법이다. 이를 양자색력학(量子色力學, QCD, Quantum ChromoDynamics or Theory of Colo(u)r Interactions) 이론이라 한다.

메존은 두개의 쿼크로 구성되어 있다. 그런데 보통 쿼크 두개로는 백색을 만들 수가 없다. 그래서 메존은 쿼크와 반쿼크로 구성되어 있다. 반쿼크의 색은 쿼크 색의 보색을 가지고 있으므로 쿼크와 반쿼크가 모이면 백색을 이룰 수가 있는 것이다.

우리는 앞에서 소립자를 질량에 따라 렙톤과 메존 그리고 바리온으로 분류했었다. 그런데 렙톤은 여전히 구조가 없는 기본 입자인 채로 남아 있지만(예를 들어 전자) 메존과 바리온은 더 기본이 되는 쿼크들이 모여서 구성된 입자이다. 메존과 바리온은 강력에 의해 쿼크들이 모여 만들어지는 입자이므로 이들 두 가지 종류의 입자를 함께 강입자(영어로 hadron)라고 부른다.

7. 매개입자(Carrier Particle)란 무엇인가?

표준 모형에 의하면 자연에 존재하는 기본 입자에는 물질을 구성하는 기본 입자와 함께 상호작용을 매개하는 기본 입자도 존재한다. 우리는 이미 자연에 존재하는 상호작용에는 모두 네 가지가 있으며 이 네 가지가 각각 자연의 특별한 부분의 구성을 책임지고 있음을 안다. 즉 중력은 태양계나 은하계 등 거시세계를 구성한다. 그리고 전기력은 전자를 원자핵 주위에 붙잡아 두어 원자를 구성하게 한다. 그리고 강력은 원자핵에 양성자와 중성자가 함께 있게 만들고 쿼크들이 바리온과 메존을 구성하게 만든다. 마지막으로 약력은 베타 붕괴와 같이 어떤 기본 입자가 다른 기본 입자로 전환하는데 중요한 역할을 한다.

표준 모형에서는 만유인력을 직접 다루지는 않는다. 그것은 미시세계를 구성하는 입자의 질량은 너무 작기 때문에 만유인력이 전혀 작용하지 않는다고 생각하여도 조금도 과하지 않기 때문이다. 그러나 현재 중력의 양자화(중력 양자=Graviton) 등을 연구하여 이를 발견한다면 중력도 표준 모형에 포함시키려는 노력이 활발히 진행 될 것이다.

기본 상호작용을 매개하는 입자란 상호작용이 작용될 때 상호작용을 주고받는 두 물체 사이에 그 매개 입자가 교환되면서 상호작용의 효과가 나타난다는 의미이다. 지금까지 우리는 상호작용이 작용하는 것을 힘이 작용한다든가 아니면 위치에너지 등으로 설명하였다. 그러나 가장 기본적으로 상호작용을 설명하는 것은 바로 매개입자가 교환된다는 방법임이 밝혀졌다. 그러한 방법으로 설명 하는 이론을 양자 장론이라고 한다.

중력을 매개 하는 입자는 아직 밝혀지지 않은 중력 양자(graviton)일 가능성이 높다. 전자기력을 매개하는 입자는 광자(photon)이다. 광자는 고유스핀이 1인 보존이며 질량이 0인 입자이다. 광자의 경우에는 전하와 전하 사이의 전기력을 매개하는 입자이지만 전하를 가지고 있지 않다. 그래서 광자 사이에는 전기력이 작용하지 않는다.

강력을 매개하는 입자를 글루온(Gluon)이라고 부른다. 글루온도 보존이며 질량이 0인 입자로서 색을 띈 쿼크 사이의 강력을 매개하는 입자이다. 그런데 글루온의 경우에는 자신도 색을 가지고 있어서 글루온 사이에도 강력이 작용한다.

약력을 매개하는 입자는 매우 질량이 큰 보존으로 W+, W- 등 전하를 띈 두 보존과 Z0라고 불리는 전기적으로 중성인 세 입자이다. 이들 세 입자가 1983년 양성자와 반양성자를 충돌시킨 입자 가속기 실험에서 만들어지는 것이 직접 관찰됨으로써 약력에 대한 이론이 확인될 수 있었다.

8. 점근적 자유성(asymptotic freedom)과 양자색력학(QCD) 정립

그런데 이번 2004년 노벨 물리학상의 선정이유는, 이들 전자기력-강력-약력 사이의 상호작용 힘을 독립된 별개의 힘이 아니라 하나의 통일장 이론(Unified Theory)으로 설명하였는데, 그 수학적 방법론이 바로 점근적 자유성(漸近的自由性)이다. 이들은 이 점근적 자유성을 이용하여 쿼크들간의 상호작용을 규명하였으며 3가지 힘을 통합하는 표준모델을 수학공식으로 풀어낸 것이다.

3개의 쿼크들이 가까이 있으면 상호작용하는 힘이 약해져, 이 약력(Weak force)에 의해 중성자는 붕괴작용이 일어나 반중성미자와 전자를 방출(베타선 등)하고 동시에 양성자로 전환된다. 동시에 3개의 쿼크 들 중 하나라도 멀리 떨어져 있으면 작용하는 힘이 강력해져 강력(Strong or colo(u)r force) 상호작용에 의해 쿼크들은 핵자(Nucleon)인 중성자와 양성자를 만들어 원자핵(Nuclei)을 이루고, 그 다음 전자기력(Electromagnetic force)에 의해 전자에 둘러 쌓인 원자를 이루고, 그 다음 원자들로 구성된 분자를 이루고, 분자들은 결국 물질을 만든다는 것이다. 결국 이 3가지 힘들은 따로따로 작용하는 것이 아니라 하나의 우주를 만드는 통일된 상호작용을 하고 있다는 것이다. 아직은 중력의 중력 양자(graviton)을 찾아내지 못하여 중력을 표준모델에 포함시키지는 못했으나, 만물의 이론(Theory of Everything)을 찾아내는데 지대한 공헌을 한 셈이다.

[참조][아래 그림 자료는 중앙일보 2004년 10월 6일자 참조]

표준 모델은 우주에서 가장 작은 소립자인 쿼크들이 어떤 상호작용을 하는지를 밝혀 내는 것이다. 이들의 발견은 그 후 강력을 설명하는 이론인 양자색력학(量子色力學, QCD, Quantum ChromoDynamics or Theory of Colo(u)r Interactions) 이론으로 정립되었으며, 이 이론은 전자기력-강력-약력을 모두 통합하는 통합장 이론인 통합 표준모델에 중요한 기여를 하게 된 것이다.

9. 2004 노벨 물리학상 수상자의 업적? 소립자물리학 표준 모델

우주 만물은 어떻게 구성돼 있을까?. 일상에서 느낄 수 있는 중력이나 전자기력 이외의 보이지 않는 우주의 힘은 어떻게 작용할까?.

올해 노벨물리학상을 탄 미국 UC Santa Barbara의 데이비드 그로스(David J. Gross) 박사, 캘리포니아공대(CIT)의 데이비드 폴리처(H. David Politzer) 박사, 그리고 MIT 공대의 프랭크 윌첵(Frank Wilczek) 교수 등은 우주에 작용하는 힘의 하나인 강력(强力)의 비밀을 풀어냈다. 강력은 원자핵이 존재할 수 있게 하는 것으로 이 힘이 없으면 우주 만물의 형상도 만들어질 수 없다. 밀가루가 물이 없으면 뭉쳐질 수 없듯이, 물질의 최소 입자 중의 하나인 쿼크들이 없으면 최후의 물질을 만들 수 없기 때문이다.

원자핵은 중성자와 양성자로 구성돼 있으며, 그 각각에는 세 개의 쿼크가 한 조를 이루며 뭉쳐 있다. 이 중 어느 하나가 멀리 떨어져있으면, 쿼크들은 고무줄처럼 서로 잡아당겨 결국 중성자와 양성자로 이루어지는 원자핵을 구성하고 있는 것이다. 이들 간의 상호 작용을 수학적으로 규명하는 것이 물리학계의 큰 과제였다. 세 과학자들이 이를 규명한 것이다.

그 이전까지 과학자들은 쿼크 간에 작용하는 힘이 너무 강해 그 원리를 알아내는 것이 불가능하다고 생각했다. 그로스 박사 등은 쿼크끼리 아주 가까이 붙어 있는 상태에서는 강력의 세기가 점점 더 약해진다는 사실을 이론적으로 밝혀냈다. 이 덕에 입자가속기로 입자들을 충돌시키는 실험을 통해 강력을 실험실에서 직접 검증할 수 있게 됐다. 노벨 선정 위원회는 "이들의 연구 업적으로 소립자들의 상호작용을 실험으로 입증할 수 있는 길이 열렸으며, 우주의 기본 입자들의 상호작용을 설명하는 표준모델을 완성할 수 있게 됐다"고 말했다.

또 우주의 네 가지 힘인 중력(重力)과 전자기력(電磁氣力), 약력(弱力), 강력(强力)을 하나의 이론으로 통합할 수 있는 대통일장 이론을 완성하는 데 한 발짝 다가서게 됐다. 이들은 이 중 약력-강력-전자기적의 통합된 상호작용의 표준모델을 정립한 것이다. 이제 누군가 중력양자(graviton)를 발견하여 중력까지 포함하는 4가지 힘의 통합장 또는 대통일장(大統一場) 이론 베이스의 표준모델만 수학적과 실험적으로 밝혀내면 그 다음의 노벨 수상자가 될 것임은 뻔한 일이다.

지금까지의 노벨 물리학상의 쿼크의 비밀과 소립자물리학의 표준 모델 이론을 그림으로 표시하면 다음과 같다.

[그림 요약 설명 - 중력(重力)은 지구상의 물체들이 아래로 떨어지게 하고 별들이 움직이게 하는 힘이고, 전자기력은 전자들의 움직임을 좌우하는 힘으로 모든 전자제품에 작용하는 힘이다. 약력과 강력은 핵 안의 양성자와 중성자를 이루는 쿼크(quark)들 사이에 작용하는 힘으로서 입자들의 결합이나 원자핵의 붕괴 등에 중요한 힘이다. 올해 노벨 물리학상 수상자들은 전자기력을 설명하는 전자기학 모델로 약력에 이어 강력까지 설명할 수 있는 길을 열었다. 이를 물리학의 표준모델이라 한다. 그림에서 중력을 제외한 전자기력-강력-약력이 굵은 선으로 표시되어 있는데, 이 3가지 힘을 표준 모델로 정립한 것이다. 자 이제 중력양자(Graviton)를 발견하고 이를 포함시켜 다음의 노벨 물리학상에 도전하자. 그림 번역 요약 : 차원용]

키워드 : 2004 노벨 물리학상, David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek, 강력 상호작용 이론, 점근적 자유성(漸近的自由性), asymptotic freedom in the theory of the strong interaction, 최소 입자, 쿼크의 비밀(Secrets of Quark), 소립자물리학 표준 모델(Standard Model of Microcosmos or Elementary Particle), 양자색력학(Quantum ChromoDynamics, QCD, or Theory of Colo(u)r Interactions), 약력(Weak force), 강력(Strong or Colo(u)r force), 전자기력(Electromagnetic force), 상호작용, 표준모델(Standard Model), 자연에 존재하는 4개의 힘(Four Forces), 거시세계를 구성하는 만유인력(중력), 미시세계를 구성하는 전자기력(電磁氣力) 또는 전기력(電磁力), 극미세계의 강력(强力), 방사선 중 베타선(β, Beta Decay), 약력(弱力), 양자론-양자역학, 하이젠베르크(Werner Heisenberg, 1901-1976), 불확정성 윈리(Heisenber's Uncertainty Principle), 소립자, 질량에 따라 보존(Boson), 렙톤(Lepton), 메존(Meson), 바리온(Baryon), 쿼크(Quark), 표준 모형(Standard Model), 매개입자(Carrier Particle)