미립자 쿼크의 비밀

대부분의 물질은 원자와 핵으로 구성되어 있고, 핵속는 양성자와 중성자가 있습니다. 양성자와 중성자에는 각각 3개의 쿼크가 있습니다.

1920년대에 러더포드가 원자속의 양성자를 예상한것 처럼 쿼크도 비슷한 실험적 예측이었고 다만 1969년의 미국 스텐포드 선형가속기 실험은 수십억eV의 에너지로 전자가 양성자로 입사되어 양성자를 뚫고 지나가면서 일부가 산란되는지 실험이었습니다. 실험결과 전자가 어떤 물질에 의해 산란되어지는 것으로 나타났습니다. 측정된 결과들은 파톤(핵안에 있을것이라는 가상 입자) 모형에 의한 이론적 계산과 일치하였으며, 이론적 모형 상의 파톤이 쿼크라는 결론에 이르게 됐습니다.

입자들은 과거에는 이러한 거품상자(bubble chamber)를 통해 궤적과 전하를 측정하였습니다. 쿼크가 일반 입자들과는 다르게 분수의 전하를 가진다는 것이 확인되었습니다. (물론 수학적인 개념이 도입된 것이고, 실제 전하를 측정하지는 못함)

이러한 색의 구분은 전하를 구분하려는 의미도 있습니다. 따라서 쿼크의 색은 전하에 의한 구별이라고 봐도 됩니다. 이것이 하드론 즉, 양성자나 중성자를 이루게 됩니다. 6개의 쿼크는 전하만 다른 6개의 반쿼크를 가지고 있습니다.

쿼크는 강력, 약력, 중력, 전자기력과 상호작용하고, 렙톤은 강력만 빼고 상호작용합니다.

그런데, 쿼크는 전자와 같은 페르미온이기 때문에 전하상태가 같은 쿼크들이 모여있는 것은 파울리배타원리에 위반됩니다. 이 문제를 해결하기 위한 대안이 양자색역학입니다. 세개의 쿼크에 다른 색을 입혀, 이리저리 바꿔도 방정식의 외형이 바뀌지 않는다는 것입니다. 이것을 SU(3)대칭이라고 합니다. 쿼크 같은 바리온은 빨강, 녹색, 파랑이 합쳐져 색상이 없어지고. 중간자들인 메존은 쿼크가 2개로 구성되지만 두가지색이 보색이어서 합쳐지면 색상이 없어집니다. 한편, 단독입자인 렙톤은 렙톤끼리 서로 바꿔도 방정식의 외형이 바뀌지 않으므로 SU(2)대칭이라고 합니다. 광자는 빛의 편광성분을 바꿔도 모양이 변하지 않아 U(1)대칭이 있습니다. 따라서 강력, 약력, 전자기력을 통합하는 대칭군은 SU(3)×SU(2)×U(1)의 조합입니다

S 는 기묘도, Q는 패러티,반전성, 가운데는 스핀, d는 다운쿼크, u는 업쿼크, s는 야릇한쿼크, n은 중성자, p는 양성자, ​K중간자, Λ중간자, Σ중간자, π중간자, Ξ중간자, ​K중간자의 경우 K+양성, K−반양성,K0중성, K0반중성

강입자의 가상 구조인 팔중항은 대칭성을 가지고 강한상호작용하는 모든 입자들을 분류하는데 사용합니다. 각각은 동일한 스핀수와 패러티(+와 - 의 대칭)를 가지는 모든 바리온 또는 메손을 포함하고 있습니다. 여기에서 스핀은 자신들의 축을 따라 회전하는 것의 척도이고, 패러티는 좌/우 반사에 의해 변환되는 척도를 의미합니다. 스핀으로 대칭성인 좌우를 맞추고, 수평선은 기묘도(야릇한쿼크 존재여부), 대각선은 패러티로 +,- 전기량(전하)이 같은 것끼리 맞춤. 빈자리가 있다면 어떤 입자가 들어갈 것이라고 예측하기도 합니다.

수많은 쿼크가 발견되었음에도, 쿼크만 단독적으로 발견된적은 없습니다. 이러한 이유로 쿼크가 단독으로 분리되는 것을 막는 매우 강한 힘이 중간자(메존)나 중입자(바리온)들로부터 존재한다고 생각합니다. 빨강,녹색,파랑 쿼크는 단독으로 발견되지 않고 우리가 발견하는 쿼크는 섞여서 하얕게 된 쿼크들만 볼수 있다는 의미입니다. 이 힘이 색힘(color force)입니다. 이들의 모든 강력 매개입자는 물론 글루온입니다(글루온은 쿼크들 사이에서 강력 매개, 파이온은 양성자/중성자와 같은 핵자들 사이에서 강력 매개). 입자가속기 양성자 충돌시 쿼크들과 W입자, 중성미자 등이 무리들이 한꺼번에 쏟아져 나오는 것을 관측하게 됩니다. 힘을 전달하는 게이지입자중 글루온은 광자와 마찬가지로 질량이 없습니다. 작은 쿼크입자들 사이에도 강력이 작용하므로 글루온은 그냥 질량을 알수 없을 뿐입니다.

탑쿼크 붕괴 : 양성자와 반양성자 충동시 탑쿼크와 반탑쿼크가 여러단계로 붕괴

이렇게 쿼크와 렙톤 그리고 중간자(메존) 등을 포함하고 거기에 반입자를 포함시키면 기본입자는 대략 260개가 넘습니다. 특히 중간자(메존)가 종류가 많고 아직도 새로운 입자들과 가상의 입자들이 소개되고 있습니다. 그리고 이런 입자들은 불안정하여 오래 유지되지 못하고 서로 다른 입자로 바뀝니다. 한편 이러한 수많은 기본입자들중에서 간추린 것이 쿼크이며 오늘날의 표준모형입니다.

쿼크와 렙톤입자들은 전자보다 질량이 다 크고 어떤 것들은 양성자보다 더 무겁습니다. 과연 쿼크입자가 가장 작은 세계라고 말할 수 있을지 의문입니다. 물론 크기는 알 수 없겠지만, 질량에서 이미 어떤 쿼크들은 양성자를 구성할 수 조차 없습니다. 물론 이 쿼크들은 어떻게 양성자 충돌시 더 무겁게 생성되었는지도 의문입니다. 이러한 양성자보다 무거운 쿼크 중에 톱쿼크는 생성되었다가 사라진 시간이 힉스입자보다 더 짧습니다. 한편 초끈이론은 쿼크입자들보다 아니 중성미자보다 더 작은 끈이 있다고 주장합니다. 현재의 입자가속기는 10의 17승분의 1cm이하의 세계는 관측할 수 없으므로 사실상 쿼크와 전자, 중성미자보다 더 작은 세계는 관측될 수 없고 이론에 의지할 수 밖에 없습니다.

쿼크보다 작은 입자세계를 현대물리학은 긍정도 부정도 할 수 없습니다. 다만 쿼크입자이하의 입자를 관측하는 것은 현대과학으로서는 거의 불가능할 뿐입니다. 쿼크는 여러 입자들과 같이 붕괴되고 붕괴되서도 다른 입자로 변합니다. 많은 과학자들도 쿼크이하의 입자가 있을 수 있다고 주장합니다. 쿼크들 간의 질량차이가 천문학적으로 큰 이유는? 사라진 나머지 쿼크들은 어디에 존재하는가? 또한 왜 양성자의 충돌에너지가 크면 양성자보다 더 무거운 입자들이 생성되는가? 라는 의문이 있기 때문입니다. 이러한 여러 이유들이 쿼크들의 질량(에너지)을 부여하는 그 어떤 존재(입자)가 있을 수 있다는 가정입니다. 수십억개의 양성자 충돌과 수십만개의 충돌 테이타를 분석하여 쿼크같은 새로운 입자의 발견과 그냥 현상의 차이는 확실한 차이가 아닌 확률에 의한 차이일 정도로 구분하기 힘듭니다.

순환법칙이 주장하는 궁극의 기본 입자는 양자(量子, qunatum)이며 단 하나의 씨(seed)입자 입니다. 양자도 초끈처럼 진동하는데 다른 점은 둥근 입자형태이며 수축(+)과 팽창(-)을 하며 진동하는 입자입니다. 양자는 입자가속기에서 쿼크들의 질량을 부여하는 에너지(질량) 씨앗 입자입니다. 물론 양자는 입자가속기에만 있는 것이 아닙니다. 양자는 기본입자이므로 물체, 질량, 에너지, 공간 등 모든 것을 구성하는 입자입니다.

순환법칙에서 쿼크입자는 팽창전반기 양자들의 집합입니다. 따라서 쿼크들은 점력점(+-)에 근접한 중성양자들의 집합이므로, 점력(폭발력)이 커서 활동성이 매우 강하다고 합니다. 하지만 양성자와 중성자 내부에는 팽창전반기 입자인 쿼크입자들만 있는 것이 아니고, 수축전반기의 공간양자들도 같이 어울려 있어 이들은 강력(색력)처럼 서로 밀고 당기고 하는 힘(전하차이, 쿼크 국한)을 형성시킨다고 합니다.

이렇게 양성자와 중성자 그리고 핵 내부에는 쿼크 뿐만아니라 메존(중간자)과 같은 수많은 입자 그리고 광자, 중성미자등이 한데 어우러져서 있고 또한 서로 변환되고 없어지고하는 이유들은 궁극의 기본입자는 따로 있다는 것입니다.

"1996년 2월 페르미연구소에서는 테바트론을 이용해 양성자와 반양성자를 정면으로 충돌시킨 결과, 쿼크가 또 그 내부구조(하부구조)를 갖고 있을 가능성이 있다는 실험결과를 발표하였습니다. 입자가속기의 예상치 에너지 영역에서는 큰 차이가 없지만, 높은 에너지영역으로 갈수록 쿼크들의 이론치와 실험치가 점점 차이가 벌어졌다며, 이 실험에 참가한 약400명중 일본쪽 연구 책임자인 곤도 구니타카 쓰쿠바대 교수(Kunitaka Kondo tsukuba univ.)가 일부 이론물리학자들이 쿼크보다 더 작은 입자를(에너지 영역에 따라 이론치와 실험치를 어긋나게 하는 어떤 존재) 주장하고 있는데 그 가능성이 있는 실험 결과가 나왔다고 하였습니다. 미국 페르미연구소는 테바트론을 이용하여 마지막 쿼크인 톱쿼크를 1995년에 발견한바 있습니다. 그리고 최근에도 세계의 많은 과학자들이 표준모형에 만족하지 않고 쿼크보다 더 작은 입자를 찾기 위해 새로운이론을 만들고 더욱 거대한 입자가속기를 개발하기 위해 연구중입니다."

<관련자료 : 쿼크(quark)는 정말 기본입자인가? - 믿거나 말거나죠.>​