입자 물리학 1부

 

 

 

 

입자물리학

  90년대 초에 고등학교에서 물질의 기본 단위, 더 이상 쪼갤 수 없는 단위는 원자라고 알고 있었다.  그런데 왠걸? 이 우주는 그렇게 단순하지가 않았다.  어느 날 입자물리학이라는 것을 접하는 순간 놀라지 않을 수 없었다. 복잡해진 세상만큼 과학도 복잡하고 세분화되어 있었다. 그렇게 이것 저것 찾아보다가 혹시 저와 같은 시대에 교육을 받아 세상은 아톰이 가장 기본단위라고 생각하고 있는 분들이 대부분일 거라 생각하고 우리들을 위해서 정리를 한번 해봐야겠다는 생각이 들었다. 

 

  일단 원자까지는 다들 아는 것이고, 이 원자라는 것이 다시 원자핵과 주변을 서성이는 전자로 나누고 원자핵은 중성자, 양성자로 이루어졌는데-여기까지는 많이들 아실 거고- 이것을 이루는 구성성분이 세개의 "쿼크"이다. 이 쿼크는 자연에서는 따로 떨어지지가 않는다. 글루온이라는 보존에 의해 강력히 붙어 있기 때문이다. 여기서 잠깐! 또 글루온은 무엇이고, 보존은 무엇인가? 라는 질문......

 

 

그럼 다시 우주를 구성하는 입자들부터 알아보자.

크게 fermion 과 boson으로 나눌 수 있다. 페르미온은 간단히 생각해서 물질을 이루는 입자이고 보존은 힘을 매개하고 전달하는 입자이다.

 

미시적으로 봤을 때 모든 물질과 힘은 입자의 형태라고 보기 때문에 진공상태에도 입자들이 가득한 상태인 것이라고 본다. 물론 음의 에너지를 가진 입자이다.

어쨌든 페르미온의 종류에는 앞서 말한 쿼크와 lepton(경입자)으로 또 나눌 수 있다. 렙톤에는 다들 익히 알고 있는 전자(electron)와 생소한 뮤온(muon), 타우(tau)가 있고 또 태양, 초신성, 원자로 입자 가속기 충돌 등 많은 과정에서 각 각 중성미자(neutrino)가 발생되는데, 1세대 전자에서는 가장 가벼운 중성미자(neutrino)가, 2세대 뮤온에서 중간 중성미자, 3세대 타우에서 무거운 중성미자가 발생된다.

즉, 렙톤은 electron과 lightest neutrino, muon과 middle neutrino, tau와 heaviest neutrino 6가지가 있다.

중성미자는 베타붕괴에서의 에너지보존 법칙을 입증하기 위해 제기되었었고 최근에야 입자가 실질적으로 발견 되었지만 현대 과학에서 우주론적으로 중요한 입자로 연구되어지고 있다. 빅뱅이론에 의해 빅뱅 직후 생성된 우주 배경복사선과 함께 다른 입자들과 상호작용을 하지않는 성질로 아직까지 붕괴되지 않고 우주를 떠돌고 있다고 해서 우주의 비밀을 푸는 열쇠로 생각되고 있다.

다음, 쿼크도 여섯 가지가 있다. 1세대 up과 down, 2세대 charm과 strange, 3세대 top과 bottom.- 세대는 발견된 순서이고 뒤로 갈수록 질량이 커진다.- 그런데 쿼크는 한개가 따로 존재할 수 없고 2개 내지는 3개가 짝을 이루며 존재한다.

글루온이라는 강력한 힘에 의해서 묶여지게 되는데 이렇게 집합된 것을 hadron이라고 한다. 예를 들어 ‘양성자는 up+up+down 중성자는 down+ down+up’이런 식이다. 그리고 이 쿼크는 전자가 전기적 전하를 교환하여 대전되는 것 처럼 글루온의 교환으로 color가 대전된다-색을 바꿔준다-고 한다. 색전하(color charge)라고 하는데 빨강, 파랑, 노랑으로 색을 가진다고 하고 이색은 우리 눈으로 볼 수 있는 색이 아니라 임의적으로 정한 것 같다. 전자에서 전기적 대전을 음과 양의 태극으로 본다면 색전하는 천, 지, 인의 삼태극이라 할 수 있겠다. 요즘 동양의 철학과 과학이 점점 하나가 되어가는 것 같기도 하다.

 

 

그리고 쿼크가 하드론을 이룰 때 이처럼 삼색이 합쳐져서 무색이 되고 무색이 될 때만 안정된 입자로 존재한다. 이 쿼크 들은 멀어질수록 강력한 색력장(color force field)이 작용하여 하드론에서의 강한 상호 작용을 일으킨다. 보존에서 다시 다루겠지만 글루온의 강한 핵력은 전자기장보다 엄청난 힘이다.

이쯤 되면 머리가 지끈거리고 복잡할 것이다.

다시한번 정리하면 물질을 구성하는 입자는 일반적으로 6개의 쿼크 종류들 중 세개의 조합으로 양성자, 중성자와 같은 원자핵을 구성하는 핵자들이 만들어지며 핵자들이 모여서 원자핵을 만든다.

또 원자핵 주변의 구름을 띠고 있는 렙톤이라는 경입자들이 있는데 경입자에는 전자, 뮤온, 타우와 이들에서 발생되는 중성미자 세 개 까지 합하여 총 여섯 가지가 있다. 전자와 양성자 등은 전기적 전하를 가지지만 쿼크는‘색전하’라는 것을 가진다.

그리고 입자물리학에서 입자들을 동그란 구의 모델로 표현을 하고 있지만 실질적으로 단단한 쇠공으로 생각을 해선 안되고 동그란 찰흙덩어리 정도로 생각을 해야할 것이다. 왜냐하면 양성자, 중성자와 같은 것들은 서로 변화하기도하고 경입자들이 모여 강입자를 이루기도하며 없던것이 새로 떨어져 나오기도하고 전자에서 광자의 방출, 광자의 전자안으로의 흡수 등, 처음 사과라고 불렀던 것이 나중에는 감이 되기도 배가 되기도 한다. 물론 에너지  보존 법칙에 의해서 붕괴되기 전후나 합쳐지기 전후의 에너지는 똑같이 나타난다.

 

 

 

fermion :

● Lepton - electron, electron-neutrino(lightest), muon, muon-neutrino(middle), tau, tau-neutrino(heaviest).

● Quark - up, down, charm, strange, top, bottom

 

 

 

이제 힘을 전달하고 매개하는 입자에 대해 알아보자.

boson이라 불리는 입자의 종류에는 photon이라하는 광자, 약한 상호 작용을 하는 W보존, Z보존, 그리고 gluon(글루온)이 있다.

포톤은 다들 아시겠지만 전자기장을 전달하는 빛의 입자인 광자이고 W보존과 Z보존은 베타붕괴로 방사선 방출 때 작용하는 약한 상호작용 입자이다. 약한 상호작용이라고 해서 약한 힘은 아니고 핵에 작용하는 글루온 보다는 약하지만 강한 핵력이다. 베타붕괴 시에 중성자의 down쿼크가 up쿼크로 바뀔 때 W보존을 방출되고 이 W보존이 곧 전자와 양전자가 된다. 다시 말하지만 현재 물리학자들은 일반인들이 입자라고 생각하지 않는 것들 까지도 입자로 본다. 보존의 입자는 구름이나 mist정도로 생각하면 더 쉬울듯 하다. W보존에서 W는 weak의 첫글자가 쓰여졌다고 하는데 Z보존은....?

마지막 보존은 앞서 언급했던 글루온이다. 글루온은 원자핵 내의 핵자들을 구성하는 쿼크들을 묶어놓는 강력한 핵력이라고 보면 된다.

다시 정리를 해보면 보존에는 포톤, W보존, Z보존, 글루온 네 가지가 있는데 글루온과 W보존과 Z보존은 원자핵에서 작용하는 핵력이고 포톤은 전자기력이다.

사실 우주에 작용하는 힘은 네가지가 있다. 첫째 중력, 둘째 약한핵력, 셋째 강한핵력과 마지막으로 전자기력이다. 그런데 뒤의 세가지 힘은 보존으로 설명이 되었지만 중력은 설명이 되지 않는다. 아니 아직 질량이 아주 큰 물체에 적용되고 원자, 원자핵 모든 입자에 작용이 되는 것 이외에 아직까지 알려진것이 별로 없다고 한다.

위의 설명들은 우주를 구성하는 최소의 단위들에 대한 설명들이었다. 요리로 치자면 재료들의 설명, 의학으로 치자면 해부학이라 하겠다.

이것들이 무엇에 쓰이고 우리와 무슨 관계가 있는지 더 큰 그림을 그려봐야겠다.

 

 

 

boson : photon, W & Z-boson, gluon

 

 

가장 큰 그림을 보자면, 상식적으로 봤을 때 우주는 공간과 물질로 채워져있다.  우주의 공간에서 작용하는 힘은 중력(graviton), 약한핵력, 강한핵력, 전자기력이 있고 구성하는 기본물질 소립자는 중입자(baryon), 경입자(lepton), 중간자(meson)가 있다. 렙톤은 앞서 설명했지만 또 중입자와 중간자는 무엇인가?

페르미온에서 여섯종류의 쿼크나 반쿼크가 보존 중의 글루온에 의해 묶여있는 상태를 모두 강입자(hadron)이라고 하며 - 쿼크+쿼크+쿼크 & 반쿼크+반쿼크+반쿼크, 쿼크+반쿼크 - 이 하드론은 바리온과 메존으로 나누어진다.

바리온은 페르미온인 세개의 쿼크가 보존인 글루온에 의해 묶여있는 페르미온 상태(쿼크+쿼크+쿼크 & 반쿼크+반쿼크+반쿼크, 쿼크+반쿼크)를 말하고 - 중성자, 양성자, 람다입자 등 - 반쿼크로 이루어진것과 합하여 약 120개가 있다.

바리온에서 중성자와 양성자는 핵을 구성하는 핵자라고 하며 나머지는 중핵자(hyperon)이라하여 무거운 핵자라 보면된다. 핵자인 중성자, 양성자가 높은 에너지의 하드론과 충돌시에 중핵자를 생성시키지만 이내 짧은 시간안에 에너지를 방출하고 다시 핵자로 돌아간다.

메존은 쿼크하나와 반쿼크하나가 글루온에 의해 묶여있는 보존의 상태(쿼크+반쿼크)이다. 핵자들 그러니까 중성자와 양성자 사이를 결합하는 핵력이라 하겠다. 핵력이라 해서 W보존, Z보존, 글루온과 같은 보존의 형태가 아니라 글루온에 의해 쿼크로 이루어진 보존의 형태로 핵자 내의 힘과 달리 핵자들사이에서 결합과 핵력을 매개하는 입자이다. 질량이 전자와 양성자의 중간이라 하여 meson이라는 이름이 붙여졌고 파이온, 카이온, 에타 등 140종류가 알려져 있으나 이 메존을 내놓거나 흡수하는 시간이 10^-23초 정도로 짧기때문에 관측되기가 힘들다고 한다.

 

 

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