기원전 400년 무렵 고대 그리스 철학자인 데모크리토스는 자연계를 구성하는 더 이상 쪼개지지 않는 물질인 원자에 대하여 논하였다. 자연계를 구성하는 가장 근본이 되는 물질을 연구하는 분야는 현대의 입자 물리학이다. 그러나 가장 작은 입자로 구성되었다는 가정하에 지칭되었던 원자는 더 작은 입자로 구성되어 있으며, 이들을 이해하는 것은 물리학의 핵심 과제 중 하나가 되었다. 특히 원자 내에 포함되어 있는 양성자, 중성자, 전자 그리고 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크는 현대 물리학에서 가장 중요한 개념으로, 이 입자들의 특성과 역할을 분석하면 물질의 본질을 보다 깊이 이해할 수 있게 될 것이다. 이번 글에서는 중입자, 경입자, 쿼크의 개념을 상세히 알아보고, 이 입자들의 특성과 상호작용에 대해 고민해 보고자 한다.
중입자란? 강한 상호작용을 하는 입자
중입자는 강한 상호작용을 하는 매우 작은 아원자 입자이다. 중입자는 세 개의 쿼크로 이루어진 강입자이며, 대표적인 중입자로는 양성자(proton)와 중성자(neutron)가 있다. 양성자와 중성자들은 원자핵을 구성하는 핵심 요소로, 원자의 성질을 결정하는 매우 중요한 역할을 하고 있다. 먼저, 중입자의 대표인 양성자와 중성자의 특징을 살펴보자. 양성자와 중성자는 세 개의 쿼크로 구성되어 있다. 자연계의 4가지 힘 중 가장 강력한 강한 핵력을 통해 결합되어 있으며, 전자의 전하량을 ‘-e(e=1.602x10^-19[C])’라고 표현할 때 양성자의 전하량은 전자의 전하량과 크기가 동일한 ‘+e’를 가지며, 중성자는 전하를 띠지 않는다. 양성자는 업(up)쿼크 2개 다운(down) 쿼크 1개로 구성되어 있고, 중성자는 업쿼크 1개 다운 쿼크 2개로 구성되어 있다. 양성자의 질량은 전자질량의 약 1837배 정도 중성자의 질량은 전자질량의 약 1840배 정도이다. 양성자와 중성자의 역할을 살펴보면, 원자핵을 구성하여 원자의 구조를 형성하며, 강한 핵력을 통해 원자를 안정적으로 유지할 수 있도록 하고 있다. 중성자나 양성자는 중성자가 전자를 잃어버리는 베타붕괴를 통해 양성자로 변환되거나 또는 그 역과정이 일어난다. 그리고 방사성 붕괴 과정에서 다른 입자로 변환될 수도 있다. 양성자와 중성자는 우리가 아는 물질의 근본적인 구조를 이루는 매우 중요한 입자이다. 이들의 상호작용은 물질의 성질을 결정하는 데 핵심적인 역할을 하고 있다.
경입자란? 상대적으로 가벼운 입자
경입자는 양성자나 중성자와 같은 중입자보다 질량이 작은 입자로, 기본적으로 전자, 뮤온, 타우 입자가 포함됩니다. 이들은 기본 입자로 간주되며, 쿼크로 구성되지 않고 독립적인 존재로 여겨지고 있다. 우선 경입자에는 전자, 뮤온, 타우 입자와 전자 뉴트리노, 뮤온 뉴트리노, 타우 뉴트리노가 있다. 경입자의 특징을 살펴보면, 경입자는 기본 입자로 쿼크를 포함하지 않는다. 그리고 강한 핵력 대신에 약한 핵력에 의해 영향을 받는 입자들이다. 경입자의 전하는 전자와 뮤온 및 타우 입자는 전자와 전하량이 동일한 ‘-e’를 가지며, 세 개의 뉴트리노들은 뉴트리노라는 이름에서 보는 바와 같이 전하량이 없다. 경입자는 원자의 전자껍질을 형성하여 화학적 결합을 가능하게 한다. 그리고 방사성 붕괴 과정에서 생성되거나 소멸되며, 기본 입자로 다른 입자들과의 상호작용을 통해 물리 법칙을 설명하는 데 도움을 준다. 또 우리 주변의 전기적, 화학적 현상을 설명하는 데 필수적인 입자이다. 특히 전자의 경우에는 모든 원자의 화학적 성질을 결정하는 매우 중요한 역할을 한다.
쿼크란? 물질의 근본적인 구성 요소
쿼크는 모든 중입자와 중간자를 이루는 기본 입자이다. 예전 러더퍼드의 알파입자 산란 실험으로 원자핵을 발견했듯이 심층 비탄성 산란(deep inelastic scattering) 실험을 통해 양성자나 중성자 내에 존재하던 쿼크를 발견하게 되었다. 쿼크는 현대 물리학에서 가장 중요한 입자 중 하나이며, 현재까지 발견된 쿼크의 종류는 6가지이고, 이 입자들이 좀 더 큰 다양한 입자를 형성하는 데 매우 중요한 역할을 하고 있다.
쿼크의 종류로는 업(up, +2e/3) 쿼크, 다운(down, –e/3) 쿼크, 챰(charm, +2e/3) 쿼크, 스트레인지(strange, –e/3) 쿼크, 톱(top, +2e/3) 쿼크, 바텀(bottom, –e/3) 쿼크가 있고 각각의 전하량은 표시와 같다. 쿼크의 질량은 전자질량을 기준으로 약 2.5배 ~ 337배 정도이다. 쿼크의 특징을 살펴보면, 현재까지로는 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 단위의 입자로 알려져 있고, 강한 핵력을 통해 중입자와 중간자를 형성하여 물질의 구조를 결정하게 된다. 쿼크는 강한 핵려의 매개체인 글루온과 상호작용하며, 현대 물리학에서 가장 근본적인 개념 중 하나로, 모든 원자핵을 구성하는 기본 요소가 된다. 쿼크를 이해하는 것은 물질의 본질을 이해하는 가장 중요한 과정이라 할 수 있겠다.
지금까지의 이야기를 정리하면, 입자 물리학은 물질의 가장 기본적인 구조를 연구하는 학문이다. 특별히, 중입자, 경입자, 쿼크는 입자물리학의 핵심적인 개념이다. 중입자인 양성자와 중성자는 원자핵을 이루며, 경입자의 대표인 전자는 전자껍질을 형성하고, 쿼크는 모든 중입자와 중간자의 근본적인 구성 요소로 작용하고 있다. 이 입자들의 상호작용을 연구함으로써 우리는 물질의 본질을 이해하고, 나아가 우주의 근원적인 법칙을 탐구할 수 있다. 좀 더 나아가 입자 가속기와 같은 첨단 기술을 활용한 연구가 더욱 발전하면서 우리가 알지 못하던 더 깊이 있는 세계와 새로운 입자와 물리 법칙이 밝혀질 것으로 기대해 볼 수도 있겠다.
참고로 생각해 보고 싶은 것은, 앞에서 소개한 바와 같이 양성자는 ‘업(up)-업(up)-다운(down)’ 쿼크로 이루어져 있다. 양성자는 이 세 개의 쿼크를 담고 있는 주머니 정도의 역할을 한다. 그리고 세 개의 쿼크는 각각 따로 떨어져서 존재하는 것처럼 보이지만 홀로 존재하지 않는 이상한 특성을 가지고 있다고 실험을 통해 알려져 있다. 더 놀라운 것은 쿼크의 질량과 양성자 질량의 합이다. 업쿼크의 질량은 2.16[MeV/c^2]이고 다운쿼크의 질량은 4.7이다. 양성자의 질량은 938.272인데 양성자 내에 있는 쿼크의 질량을 모두 합하면 9.02[MeV/c^2]이므로 나머지 929.252[MeV/c^2]의 질량은 어디 있는지 지금까지는 의문이다. 마치 러더퍼드의 실험을 통해 원자를 확인할 때 원자에서 원자핵에 질량이 집중되고 원자 속이 텅 비어 있었던 것처럼, 양성자 속이 비어 있는 것인지 정말 의문스럽다. 그리고 아직은 알 길이 없다.