우리는 물질을 이루는 기본 입자에 관하여 어렴풋 알고 있다. 이 세상은 모든 것이 물질로 이뤄져 있다. 우리는 어떤 물질을 계속해서 쪼개면 분자가 되고 다시 분자는 원자가 되며 원자는 원자핵과 전자로 이뤄져 있다는 것을 알고 있다.
원자핵은 다시 양성자와 중성자로 이뤄져 있으며 전자는 더 이상 쪼갤 수 없다는 것도 안다. 그렇다면 양성자와 중성자는 무엇으로 이뤄져 있을까라는 궁금증이 생긴다. 여기서부터 골치 아픈 문제에 부딪친다.
쿼크가 있고 렙톤이 있고 보손이 있지만 학교에서 배운 기억만 있을 뿐 모두 잊어버린 상태이다. 지금부터 물질의 기본 입자에 관하여 탐구를 시작한다.
원자핵(atomic nucleus)과 전자(electron)
원자핵과 전자는 원자(atom)를 이루는 입자이다. 원자의 크기는 약 10-10 m이고 원자핵과 원자핵 주위를 회전하는 전자로 구성되어 있는데, 원자핵은 원자 크기의 10-15m 이지만 원자 질량의 거의 100%를 차지한다. 또 원자핵은 (+)전하를 가진 양성자(proton)와 전기적으로 중성인 중성자(newtron)로 되어 있으며, 양성자와 중성자를 합쳐서 핵자라고 부른다.
양성자 1개의 질량은 1.6726×10-27kg이며 중성자의 질량은 양성자의 1.00138배로 거의 같다. 전자의 질량은 양성자의 1/1836.15이며, 전하는 양성자의 전하와 반대이고 전하 크기의 절대값은 같다.
즉, 원자 질량의 대부분은 핵자를 이루는 양성자와 중성자의 질량이며, 원자핵 주위를 도는 전자의 질량은 극히 일부 만을 차지한다.
물질을 이루는 기본 입자 쿼크(Quark)
기본 입자는 스핀(spin, 입자의 각운동량)을 기준으로 분류를 하는 데 페르미온(Fermion)과 보손(Boson)으로 나눈다. 모든 입자는 스핀이 정수이거나 반정수 이다. 예를 들어, 전자의 스핀은 1/2이고 광자의 스핀은 1이다. 스핀이 반정수인 입자를 페르미온, 정수인 입자를 보손이라고 한다.
페르미온은 다시 쿼크와 렙톤으로 나뉘는데 쿼크는 강한 핵력에 영향을 받지만 보손은 그렇지 않다.
쿼크는 양성자나 중성자 같은 중입자나 페르미온(fermion)을 구성하는 가장 기본적인 입자로, 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 입자 중 하나이다. 쿼크는미국의 물리학자 머리 겔만이 1964년 제안하고 명명했으며 1970년대에 실험적으로 입증되었다.
양성자와 중성자는 주로 쿼크로 이루어진 입자인데, 양성자는 2개의 업 쿼크와 1개의 다운 쿼크로 이루어져 있으며, 중성자는 1개의 업 쿼크와 2개의 다운 쿼크로 구성된다.
쿼크의 종류와 성질
쿼크는 페르미온에 속하는 기본 입자로 강입자(Hardron)를 만드는 입자이다. 쿼크 이론(Quark theory)에 따라 서로 다른 세 가지 세대로 나뉘며, 각 세대에는 두 가지 종류의 쿼크가 있고 각각 다른 전하를 가지고 있다. 쿼크의 표준 모형(Standard Model)에 따라 분류하면 다음과 같다.
쿼크는 세대 별로 구분되는데 1세대부터 3세대까지 있다. 위에 있는 기본 입자의 표준 모형을 참조하자.
1 세대
업 쿼크 (Up Quark): 전하 + 2/3, 질량 약 2.2 MeV/c^2
다운 쿼크 (Down Quark): 전하 – 1/3, 질량 약 4.7 MeV/c^2
2 세대
참 쿼크 (Charm Quark): 전하 + 2/3, 질량 약 1.28 GeV/c^2 (약 1000배 무거움)
스트레인지 쿼크 (Strange Quark): 전하 – 1/3, 질량 약 96 MeV/c^2 (약 20배 무거움)
3 세대
탑 쿼크 (Top Quark): 전하 + 2/3, 질량 약 173.1 GeV/c^2 (약 100,000배 무거움)
밑 쿼크 (Bottom Quark): 전하 – 1/3, 질량 약 4.18 GeV/c^2 (약 900배 무거움)
여섯 가지 종류의 쿼크는 스핀(spin)값이 모두 1/2 이고, 각 세대의 대응하는 입자들은 질량만 다르고 나머지 성질은 모두 같다. 쿼크 자체는 다른 것으로 변할 수 없으며, 이들은 강력한 상호 작용을 통해 양성자와 중성자 같은 핵 물질을 형성하는 데 중요한 역할을 한다.
랩톤(Lepton)
렙톤은 페르미온에 속하는 입자로 표준 모형에서 보는 바와 같이 여섯 종류가 있고, 전자(Electron), 뮤온(Muon), 타우(Tau)는전하를 가지지 않거나 전하의 절대값이 1인 입자들이다. 렙톤은 바뀌지 않거나 파괴되지 않고 현존하는 가장 기본적인 입자 중 하나이다. 쿼크와 렙톤은 서로 가까이 함으로써 새로운 입자를 만들어 낸다.
렙톤은 쿼크와 마찬가지로 세 세대 구분되는데, 각 세대에는 두 개의 입자가 포함되어 있으며, 각각은 전하, 질량이 다르다.
1 세대: 전자(e)와 전자 뉴트리노
2 세대: 뮤온(μ)과 뮤온 뉴트리노
3 세대: 타우(τ)와 타우 뉴트리노
렙톤은 전자기력과 약한 상호작용에 의해 영향을 받는다. 전자는 전자기력에만 반응하고, 렙톤 뉴트리노는 약한 상호작용에 참여하며, 힉스 보손의 붕괴에 나타나는 다양한 상호작용에서 중요한 역할을 한다.
게이지 보손(Gauge Boson)
페르미온이 만물의 기초 재료라 한다면 보손은 자연의 힘이다. 게이지 보손은 기본 페르미온의 힘 전달자 역할을 하는 기본 입자이다. 스핀은 1을 가진다. 게이지 보손은 벡터 입자이고 네 종류가 있다.
W 보손: 약한 상호작용을 전달하며, W+는 +1, W– 는 -1 의 전하를 가지고 질량도 가진다.
Z 보손: 약한 상호작용을 전달하고 전하는 0 이고 질량을 가진다.
광자 보손: 전자기력을 전달하고 질량은 0이다.
글루온 보손: 강력 상호작용을 전달하며 질량은 0 이다.
힉스 보손(Higgs Boson)
힉스 보손은 힉스장과 상호작용하여 입자에 질량을 부여하는 역할을 한다. 이것은 질량 없이 우주에서 자유롭게 움직이는 입자들이 질량을 갖게 하는 중요한 과정이다.
힉스 보손은 스핀 0을 가지며, 스핀이 없는 스칼라 입자이다.
CF) 벡터 입자 : 스핀 값이 1이고 방향성을 가지는 입자(광자, W,Z보손)
스칼라 입자 : 스핀값이 0이고 방향성이 없는 입자(힉스 보손)
쿼크의 색전하 및 색채
쿼크의 색전하(Quark color charge):
쿼크의 색전하(Quark color charge)”와 “색깔(Color)”은 쿼크의 실제 색상이나 시각적인 색상과는 관련이 없고 쿼크들 간의 강력한 상호 작용을 설명하고 이해하는 데 사용되는 개념이다. 물리학자 오스카 W. 그린버그가 1964년 강입자의 내부구조를 설명하기 위해 색전하라는 개념을 고안하였다.
쿼크는 세 가지 전기적 성질을 가지는 데, 양전하 상태를 빨간색으로 음전하 상태를 파란색으로 중성인 상태를 초록색으로 다음과 같이 나타내고 이것을 색전하라고 한다.
색전하는 양자 색역학(QCD)에서 쿼크의 특성을 나타내는 물리량으로써 세가지 값을 가질 수 있고, 이를 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)으로 표현한다. 이는 전자가 가지는 전하의 개념이 아니라 쿼크와 글루온을 포함한 입자들 간의 강한 상호작용을 설명하는 개념이다.
양전하의 반대인 음전하가 있듯이 색전하도 빨강, 초록, 파랑에 대해서 각각 반빨강(antired), 반초록(antigreen), 반파랑(antiblue)이 존재한다. 쿼크가 RGB 색을 가지고 있으면 반쿼크가 CMY(시안, 마젠타, 옐로) 색을 가지고 있는 것이다. 이들을 조합하여 무채색이 되는 조합만이 강입자(하드론)을 형성한다. 그림에서 RGB 와 anti RGB인CMY 조합이 무채색(흰색)이 되는데 삼각형과 역 삼각형의 꼭짓점에 있는 색전하의 조합이다.
예를 들어 양성자는 업 쿼크 두 개와 다운 쿼크 한 개로 이뤄져 있다. 아래 그림에서 세 게의 색전하 빨강 초록 파랑이 합쳐지면 무채색이 되어(위 그림에서 확인) 쿼크들의 결합이 안정화되어 양성자가 되고 또한 업 쿼크 하나와 다운 쿼크 두 개가 결합하여 안정화되어 중성자가 된다.
이 때 색전하 세 가지가 조합되 무채색이 되는 것은 물론이고 전하의 합도 양성자는 +1, 중성자는 0이 되는 조건을 만족시켜야 한다.
이번에는 쿼크의 전하를 구해보자.
위해서 업 쿼크와 다운 쿼크의 전하를 각각 + 2/3 e, – 1/3 e 라고 기술했는데 그 값이 어떻게 나오게 되었는지 과정을 알아보자. 위의 그림에서 업 쿼크의 전하를 전자의 전하량 e 의 X 배, 다운 쿼크의 전하를 Y 배 라고 하고 양성자와 중성자의 각각에 대한 연립방정식을 세우면 2X+Y=1, X+2Y=0 이 되고 이식을 풀면 X=+ 2/3 e, Y= – 1/3 e 가 된다.
양성자를 구성하는 쿼크, 글루온, 그리고 보손 입자들 간의 힘의 관계
양성자의 구성 입자인 쿼크들은 글루온(Gluon)을 매개로 하여 서로 강력하게 결합하고 양성자를 형성한다. 강력은 아주 짧은 거리에서 작용하며, 마치 고무줄처럼 쿼크들 간의 거리가 멀어질 수록 강해진다.
양성자는 양의 전하를 가지고 있으며, 이로 인해 다른 전하를 가진 입자들과 전자기력 상호작용을 하는데, 이 상호작용은 광자 보손(Photon Boson)를 통해 전달된다. 광자 보손은 전자기력을 전달하고 전자와 양성자 간의 전자기적인 상호작용을 가능하게 한다.
이러한 상호 작용 들이 양성자의 안정성과 구조를 결정하며, 이들이 함께 작용하여 원자핵을 형성합니다.
위에서 살펴본 바와 같이 이 우주의 모든 물질들은 여러 가지 기본 입자의 구성으로 이뤄져 있다. 그 기본 입자들이 어떻게 조합되고 결합 되는가 에 따라서 서로 다른 물질이 탄생하고 이 우주의 물질을 다양하게 만든다. 또한 이 기본 입자들이 어떻게 상호작용 하는가 에 따라 우주에 존재하는 네 가지 기본적인 힘이 생겨나기도 한다
이 네 가지는 우주의 존재하는 근원적인 힘이며 모든 물질은 이 네 가지 힘에 의해 현 상태를 유지하고 있는 것이다.