Quark(쿼크)는? 설명

[發菩提心]

Quark(쿼크)는
Lepton(렙톤)과 함께
자연계 모든 물질, 은하, 별, 지구, 생물, 분자등을
구성하는 요소로 현재까지 밝혀졌다.

사실 ‘쿼크’란 명명은
오래전 가설로 발표되었다.
고대 그리스의 데모크리토스의
atom(원자)에서부터
역사적으로 물질의 기본단위에 대한
연구와 탐구는
치열하고 끊임없이 예측되고 추구되어졌다.

1932년 채드윅(Sir James Chadwick;
1935년 노벨물리학상수상;영국)의
중성자 발견에 의해
그 당시에 양성자와 중성자, 전자가 가장 기본적인 소립자라 여겨졌다.
1950년대 이후로 실험에서 궁극의 소립자라 규정짓기에는 소립자의 수가 너무 많아, 연구 끝에 양성자나 중성자의 입자가 더욱 세부적인 소립자로 이뤄져있다고 발표하기에 이르렀다.
바로 quark(쿼크)다.
1964년 미국의 Murray Gell-Mann(머리 겔 만;1969년 노벨물리학상수상;1929년 9월 15일~)과 러시아의 George Zweig(조지 츠바이크;1937~) 는 양성자나 중성자의 입자보다 좀 더 기본적 궁극 입자가 존재하며, 그것이 몇몇 조합되어 양성자나 중성자, 중간자의 하드론을 만든다는 가설을 각각 독자적으로 발표했다. 그때까지는 쿼크의 종류가 u(up), d(down), s(strange) 세 종류로 여겨졌다.
그러나 일본의 물리학자 고바야시 마코토(小林 誠;2008년 노벨물리학상수상;1944~)와 마스카와 도시히데(益川敏英;2008년 노벨물리학상수상;1940~ ) 는 쿼크가 3종이 더 있다고 실험했으며, 이론적으로 예언했고, 그 이후, 하드론은 양성자나 중성자, 중간자 등 ‘강한 핵력’이 작용하는 소립자의 총칭인데, 쿼크는 분수의 전하를 가지고 있다는 사실과, 1974년 11월 ‘charm(매력)’이란 새로운 성질을 가진 쿼크의 존재가 미국 매사추세츠 공대 Sam Ting(Samuel C. C. Ting ;새뮤얼 C.C. 팅;샘팅;1976 노벨물리학상수상;중국명 丁筆中) 그룹과 미국 스탠퍼드 선형가속기센터 Burton Richer(버튼 리히터;1976 노벨물리학상수상; 미국)그룹의 실험을 통해 발견된 쿼크에의 세 가지 세대등은 쿼크의 독특한 성질을 말해준다.
1977년 페르미 국립가속기연구소의 Leon Max Lederman(레온 M. 레더맨;1988년 노벨물리학상 수상; 1922년~) 그룹의 실험에서 ‘Bottom’쿼크 존재의 확인에 이어, 1995년 미국, 일본, 이탈리아 연구팀에 의해 마지막으로 ‘Top’이 페르미 국립가속기연구소(양성자, 반양성자 충돌형 가속기-테바트론)에서 발견되었다.
결국 현재까지 u(up), d(down), s(strange) →c(charm), b(bottom), t(top) 을 밝혀냄에 따라 6종의 쿼크가 더 이상 나눌 수 없는 물질을 구성하는 가장 기본적인 단위로 밝혀졌다.
1989년 10월 CERN(유럽원자핵공동연구소)의 전자, 양전자 충돌형 가속기 LEP(레프, 대형 전자 양전자 충돌형 가속기)의 네 가지 실험에서 최종적으로 입증되어 진 사실은, 쿼크는 항상 성질이 비슷한 2개씩 쌍을 만들고, u(up), d(down), s(strange), c(charm), b(bottom), t(top) 6종의 쿼크의 존재와, 세 가지의 세대가 있다는 사실의 확정이다.
역시 물질을 구성하는 전자를 포함한 소립자인 6종의 lepton(렙톤)과 함께,
Up, Down, Strange, Charm, Bottom, Top 6종의 쿼크의 존재가 밝혀졌고, 자연계에 존재하는 힘을 전달하는 소립자의 정체도 가속기에 의해 밝혀졌다. 쿼크는 단독으로 끄집어 낼 수 없으며, 3세대의 쿼크로 부터 모든 소립자와 그로 인해 원자, 분자가 생긴다면 쿼크는 확실하게 궁극의 입자라고 볼 수 있지만 스티븐 호킹과 세계 과학자들이 언급했듯, 더 작은 입자가 있을 것이라는 예측도 배제할 수 없기에 쿼크가 궁극적 최후의 소립자인지 과학자들 사이에서도 확정을 하지 않고 있으나 현재까지 밝혀진 바로는 물질의 기본단위가 6종의 쿼크, 6종의 렙톤, 그 외에 또 자연계에 존재하는 힘을 전달하는 소립자의 정체도 연구된 단계라는 사실이다.
한 가지 재미있는 일은 쿼크의 발견자이자, 미국의 물리학자로 1969년 노벨 물리학상을 수상한 Murray Gell-Mann(머리 겔 만;1929년 9월 15일~)이 발표한 ‘쿼크’의 연구 방법에 불교의 八正道(팔정도)의 방법으로 연구되었다는 사실이다.
머리 겔 만은 석가모니 부처님의 가르침에 입각하고 기초한 깨달음에 이르는 궁극적 해결책으로 팔정도를 적용시켜 연구했다.
또 한 가지 재미있는 일은, ‘quark(쿼크)’란 이름의 유래는, 아일랜드 소설가 James Joyce(제임스 조이스 1882~1941)작품 소설 중 한 구절인 ‘Three quarks for Muster Mark’에서 Murray Gell-Mann(머리 겔 만)이 따왔다고 한다.
Murray Gell-Mann(머리 겔 만)의 대표작은 ;유발 네만[Yuval Ne'eman;이스라엘의 물리학자인 유발 네만] 공동연구;1964 , <불안전한 척도변이도와 광원추 Broken Scale Variance and the Light Cone>;K. 윌슨[(Kenneth G. Wilson; 케네스 G. 윌슨;1982년 노벨물리학상수상 ;미국) 공동연구;1971] 등이 유명하다.
다시 알기 쉽게 정리하자면, 현재 물질을 만드는 가장 기본적인 작은 입자 즉, 소립자는 소립자 물리학계에서 quark(쿼크)와 lepton(렙톤)이다.
quark(쿼크)는 양성자와 중성자를 구성하는 소립자무리, lepton(렙톤)은 輕粒子(경입자)로서, 전자와 전자 무리의 소립자다. 덧붙여 소립자에는 이와 같이 물질을 만드는 소립자 이외에도 '힘을 전하는 소립자'가 있다.
- 그러나 ‘quark(쿼크)’를 이야기하면서 여기서 꼭 짚고 갈 일이 있다.
지금까지 이 모든 물리학의 대진보에 있어서 기본이 되는 ‘힉스 매카니즘’이 탄생하기까지 기여한 사람 중 위대한 한 사람의 이름이 거론되는 경우는 드물다는 사실이다.
그 이름은 바로 한국계 미국인 이론물리학자 이휘소(李輝昭;1935년 1월 1일 ~ 1977년 6월 16일) 다.
(참조글 이휘소 출처 위키백과http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9D%B4%ED%9C%98%EC%86%8C
1964년에 이휘소는 그의 지도교수 클라인과 자발적인 대칭성의 부서짐에 관한 논문[27]을 발표, 소립자의 질량의 존재를 규명하는 히그스 메커니즘이 등장하게 하는 데 기여하였다.(중략) 1977년에, 이휘소는 스티븐 와인버그와 함께 〈무거운 뉴트리노 질량의 우주론적 최소 경계치〉라는 제목의 논문을 발표하였다.(중략)윔프의 질량이 더 이상 작아질 수 없는 이 경계를 리-와인버그 경계 라고 한다.
(중략)이 논문은 피지컬 리뷰 레터가 1977년 5월 13일에 접수하였고, 1977년 7월 25일에 제 39권의 네 번 째 이슈에 실었다. 그러나 이휘소는 그해 6월 16일에 교통사고로 숨져 있었기 때문에, 이 논문의 출판을 볼 수 없었고, 이 논문은 사실상 그의 유작이었다. 이와 같은 인연은 스티븐 와인버그가 크리스 퀵과 함께 직접 피직스 투데이에 이휘소의 부고 논문을 쓰게 된 하나의 계기가 되었다.
Charm 쿼크(네번 째 쿼크)의 질량을 예측하여 그 탐색에 공헌하였다. 2011년 6월 현재 그의 모든 논문들은 12,500회 이상 인용(2012년 6월현재 훨씬 더 많을 것)되고 있다. 또한 1972년 '힉스 보손(boson)' 이라 명명한 장본인이기도 하다.
대표적인 제자로 <이휘소 평전>을 펴낸 강주상 고려대학교 물리학과 명예교수가 있다.)

Lepton(렙톤)은 輕粒子(경입자)로 전자와 전자 무리의 소립자다. 쿼크와 마찬가지 질량의 차이에 의해 ‘세대’로 나뉜다. 렙톤의 이름은 물리학자 레옹 로장펠드(L?on Rosenfeld)가 1948년, 그리스어 λεπτ?? (렙토스), 즉 작고 얇다는 의미로 렙톤으로 처음 명명되었고,
1948년 묄러 (C. Møller) 교수에 의해 렙톤으로 정식 명칭으로 채택되었다.
현재까지는 렙톤은 전자 중성미자, 전자(제1세대), 뮤중성미자, 뮤온(제2세대), 타우 중성미자, 타우온(제3세대)등 6종의 렙톤이 기본 소립자로 발표되어 있다.
특히 1987년 일본 고시바 마사토시 (小柴昌俊 ;2002년 노벨물리학상수상)의 ‘중성미자’ 검출에 성공한 이후, 물질의 소립자(표준 이론) 이외의 미지의 소립자들이 예견되는 시점이다.
- 참고로 Higgs(힉스)는 무엇인가?
1964년 힉스 메커니즘을 최초 선포한 영국 물리학자 Peter Ware Higgs(피터 힉스;1929~ )의 이름을 딴 힉스입자는 존재 가능성은 인정하나, 아직 존재는 입증되지 못했다.
힉스는 뜨거운 우주가 식어가면서 진공의 대칭성이 파괴되어 ‘힉스 입자’가 진공에 가득 차 있다고 가설했다. 광속으로 존재한 소립자의 일부들이 힉스 입자에 충돌하며 속도가 저하되고 질량이 생겼을 것이라는 가설이다.
힉스 메카니즘의 주장은 힉스 입자에 대해 반응하기 쉬운 정도에 따라 질량의 크기가 결정된다고 주장한다. 현재 소립자 물리학의 기초와 토대로 대부분 적용 되는 ‘표준 이론’은 힉스 입자가 존재한다는 가정 하에 대부분 소립자 연구가 진행된다. 힉스 입자의 ‘발견’은 현재 소립자 물리학의 필수 불가결하며 아주 중요한 의미를 지닌다.

- Peter Ware Higgs는 왜 물리학계의 지대한 공을 세웠음에도 노벨상을 수여하지 못했는가?
2011.12.13 한국시각, 유럽입자물리연구소(CERN) 소속 과학자들이 힉스 입자(Higgs boson) 에 대해“저에너지 범주인 126 GeV(기가전자볼트) 영역에 힉스 입자의‘흔적’이 집중돼있다”고 발표했으나 역시 ‘발견’이라는 표현을 쓸 수 없다.
거기에는 이유가 있다.
새로운 ‘발견’의 조건에 충족되는 신뢰도는 5시그마, 100만분의 1의 오류만 인정한다. 동일한 조건의 100만 차례의 실험을 반복했을 때 한번 오류가 나올 경우에만 ‘발견’이라 공식적으로 인정될 수 있기에 힉스의 존재는 있음에도 검증이 어려워 2012년 6월 27일 현재까지 힉스입자는 존재함에도 불구하고 ‘힉스입자의 발견’이라고는 공식적 존재인정은 되지 못한다.
(그러므로 Peter Ware Higgs(피터 힉스;1929~ ;영국)는 위대한 힉스 메카니즘의 창시자임에도 노벨상을 아직 수여하지 못했다.)
현대 소립자 물리학의 ‘표준이론’은 ‘힉스 입자’의 존재 인정의 조건하에 근간을 둔 만큼 이론적 가설이나 예측이 아닌 ‘힉스입자’의 증명, 발견에 일반 가속기의 실험 외에도 2008년 9월 세계 최대 원형 가속기 LHC가 구축된 이후로 힉스 입자의 발견및 고에너지 물리학의 심도깊은 연구가 진행, 실험중이다. 또한 여전히 미지의 소립자들의 연구와 동시에 우주에 존재하는 네 가지 힘(전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력, 중력) 중에 전자기력과 약한 핵력은 1960년대 미국의 글래쇼(Sheldon Lee Glashow;1932~ ;1979년노벨물리학상수상;미국), 와인버그(Steven Weinberg; 1933~ ;1979년노벨물리학상수상;미국), 압두스 살람(Abdus Salam; 1926~1996년;1979년노벨물리학상수상;인도 펀잡-지금의 파키스탄)등에 의해 통일 되었는데, 나머지 통일이론에 세계는 주력하고 있으며, 무엇보다 입자가 질량을 가지게 된 과정을 규명하는 일이 중요하다고 글래쇼박사는 주장한다.

참고 자료 과학지 < Newton>, 과학동아, 스티븐 호킹 <위대한 설계>, Nuclear Forces,
과학 뉴스 sciencedaily 등을 읽고 사실과 소감 정리(2012년 6월 27일).

~최신뉴스~ 최신 소립자 Xi_b^*
현재까지 quark(쿼크)에 대한 큰 결론은, hadron(하드론; 강한 상호작용의 힘으로 반응하는 원자구성 입자의 총칭) 속에 갇혀있는데, 그 내부는 고무 끈 같은 것으로, 쿼크라는 점 모양의 입자 3개로 이뤄져있다는 결론, 다른 하나의 결론은 하드론이 고무 끈 같으며 쿼크는 단독으로 절대 밖으로 나오지 않는다.
그 상호간의 물질의 구조및 결합을 알 수 있는 새로운 소립자가 (Apr. 27, 2012) 스위스 쮜리히 대학교 연구팀에 의해 발견되었다고 Science Daily지가 발표했다. CERN(유럽원자핵공동연구소)의 (LHC;대형하드론 충돌형 가속기)에서 발견된 Xi_b^* 의 이름으로 알려진 새로운 소립자는 너무 불안정해서 탐지기에 등록될 수는 없지만 쿼크의 결합력과 상호작용에 대해 근거를 제시해 줄 단서가 될 것이라고 발표했다. (아래)
New Particle Discovered at CERN
Science Daily (Apr. 27, 2012) — Physicists from the University of Zurich have discovered a previously unknown particle composed of three quarks in the Large Hadron Collider (LHC;대형하드론 충돌형 가속기) particle accelerator. A new baryon could thus be detected for the first time at the LHC. The baryon known as Xi_b^* confirm‎‍s fundamental assumptions of physics regarding the binding of quarks.
The new particle cannot be detected directly as it is too unstable to be registered by the detector. ~

영문 기사 출처 최신 과학 뉴스 sciencedaily중 일부
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/04/120427095621.htm


~최신뉴스~ 2012년 7월 4일 Higgs boson(힉스 입자)과 일치하는 소립자를 관찰
출처 CERN 홈페이지 http://press.web.cern.ch
PR17.12
04.07.2012
CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson
Geneva, 4 July 2012.
CERN(유럽원자핵공동연구소)가 2012년 7월 4일 오랜 세월동안 연구해온 Higgs boson(힉스 입자)과 일치하는 소립자를 관찰하다.
At a seminar held at CERN1 today as a curtain raiser to the year’s major particle physics conference, ICHEP2012 in Melbourne, the ATLAS and CMS experiments presented their latest preliminary results in the search for the long sought Higgs particle. Both experiments observe a new particle in the mass region around 125-126 GeV.

2012년 7월 4일 CERN에서 주요 소립자물리학 회의 개막전이 열렸다.
입자물리학분야 최대의 컨퍼런스인 ICHEP2012(International Conference on High Energy Physics 2012) Melbourne, ATLAS(the ATLAS experiments)실험장치연구소 과학자들과 CMS experiments 실험장치연구소 과학자들이 오랫동안 힉스입자의 발견을 위한 연구를 해온 최신사전결과를 공개했다.
두 연구소는 약 125-126 GeV 대 질량에 이르는 새로운 소립자를 관찰했다.

“We observe in our data clear signs of a new particle, at the level of 5 sigma, in the mass region around 126 GeV. The outstanding performance of the LHC and ATLAS and the huge efforts of many people have brought us to this exciting stage,” said ATLAS experiment spokesperson Fabiola Gianotti, “but a little more time is needed to prepare these results for publication.”

“우리는 level of 5 sigma, 약 126 GeV에 이르는 질량의 새로운 소립자의 분명한 표식을 관찰했다. LHC의 우수한 성능과 ATLAS, 많은 연구원들의 많은 노력은 우리들에게 이 감동적인 무대를 제공해주었다.” 하고 ATLAS experiment 대변인 Fabiola Gianotti씨가 말했다. “그러나 이 결과물 출판(공표)에는 시간이 좀 필요하다.”

"The results are preliminary but the 5 sigma signal at around 125 GeV we’re seeing is dramatic. This is indeed a new particle. We know it must be a boson and it’s the heaviest boson ever found,” said CMS experiment spokesperson Joe Incandela. “The implications are very significant and it is precisely for this reason that we must be extremely diligent in all of our studies and cross-checks."

“결과는 예비절차지만 그러나 우리가 125 GeV 가량 이르는 5 sigma signal를 관찰했다는 것은 극적이다. 이것은 확실히 새로운 입자다.
우리는 그것이 틀림없이 복합입자일 수 있고 그리고 지금까지 발견된 가장 무거운 복합입자임을 알고 있다. ” 하고 CMS experiment 대변인 Joe Incandela는 말했다.
“그 영향은 아주 중요한데, 우리의 연구와 크로스체크 속에 최선의 노력을 해야 하는 것은 바로 이 이유다. ”

“ We stated last year that in 2012 we would either find a new Higgs-like particle or exclude the existence of the Standard Model Higgs. With all the necessary caution, it looks to me that we are at a branching point: the observation of this new particle indicates the path for the future towards a more detailed understanding of what we’re seeing in the data.”

“우리는 작년(2011년) 에 ‘2012년에 새로운 힉스입자와 비슷한 입자나 또는 기존 표준모델 힉스입자의 존재를 배제하는(전혀 용납않는) 것 중 하나를 발견할 것이라고 표명했다.
모든 필연적 신중함을 기함과 동시에, 우리는 바로 분기점에 있다고 보여진다. 즉,
우리가 데이터에서 관찰하는 더 세부적 이해를 향하는 미래를 위한 통로, 이 새로운 입자의 관찰을 가리킨다. ” 라고 CERN Research Director Sergio Bertolucci는 덧붙였다.

The next step will be to determine the precise nature of the particle and its significance for our understanding of the universe. Are its properties as expected for the long-sought Higgs boson, the final missing ingredient in the Standard Model of particle physics? Or is it something more exotic? The Standard Model describes the fundamental particles from which we, and every visible thing in the universe, are made, and the forces acting between them. All the matter that we can see, however, appears to be no more than about 4% of the total. A more exotic version of the Higgs particle could be a bridge to understanding the 96% of the universe that remains obscure.

다음 단계는 입자의 정확한 본질과, 우리 우주의 이해를 위하여 그 중요성이 규명되는 일이 될 것이다.
입자물리학의 표준모델에서 최후의 사라진 요소, 오랫동안 찾아왔던 Higgs boson의 예견된 특성들일까? 아니면 색다른 어떤 존재일까?
표준모델은 우리가, - 그리고 우주 모든 색계가 - 만들어진 기원의 근본입자, 그리고 그들 사이에 미치는 힘의 영향의 기원을 묘사한다.
그러나, 우리가 관찰할 수 있는 모든 것은 우주 전체의 약4% 정도에 지나지 않는다.
색다른 힉스입자의 별형은 96%의 밝혀지지 않은 우주를 이해하는데 교량역할을 할 수 있을 것이다.

“We have reached a milestone in our understanding of nature,” said CERN Director General Rolf Heuer. “The discovery of a particle consistent with the Higgs boson opens the way to more detailed studies, requiring larger statistics, which will pin down the new particle’s properties, and is likely to shed light on other mysteries of our universe.”
“우리는 자연을 이해함에 있어서 이정표에 다라랐다.
힉스입자와 일치하는 입자의 새로운 발견은 더 세부적인 연구를 위한 길이며, 새로운 입자의 특성들을 분명히 규명할 더 확장된 통계가 요구하는 길을 트는 동시에 우리 우주의 다른 신비에 조명을 비추게 될 것이다.”


출처 CERN 홈페이지 중 일부
http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2012/PR17.12E.html