261005 쿼크와 소립자

[박대선]

261005 쿼크와 소립자
 쿼크와 소립자 (Elementary Particle)는 현대 물리학이 밝혀낸 우주를 구성하는 가장 물질의 근본적인 최소 단위다. 고대 그리스 철학에서 모든 물질의 근원이라 생각했던 원자는 근대 물리학에서 양성자, 중성자, 전자로 쪼개졌고 현대 물리학에서 이들을 구성하는 것이 소립자라는 것이 밝혀졌다. 현대물리학 표준 모형 (Standard Model)은 우주의 모든 물질과 힘이 총 17개의 소립자 시스템으로 이루어져 있다고 설명한다. 크게 세개의 가족으로 분류한는데 그 가족은 물질을 구성하는 12개의 소립자가족으로 페르미온, 힘을 전달하는 4개의 소립자가족인 게이지보손, 그리고 질량을 부여하는 소립자인 힉스보손 1개다. 
 우선 페르미온 (Fermions)은 물질의 뼈대를 만드는 6개의 쿼크 (Quarks)와 6개의 경입자 (Leptons)로 구성된다. 쿼크는 핵을 구성하며 경입자는 전자 등이다. 두번째 게이지 보손 (Gauge Bosons)은 4개로 빛의 입자인 광자 등이다. 마지막으로 힉스 보손 (Higgs Boson)은 입자에 질량을 가지게 한다. 양자역학수준에서는 입자이면서 동시에 파동의 성질을 가지고 있고 질량과 에너지는 등가라는 점을 기억하자. 보다 구체적으로 원자핵을 이루는 쿼크는 6종이 있다. 기본 쿼크는 업 쿼크와 다운 쿼크로 구성되고 이보다 무겁고 불안정한 참 쿼크와 스트레인지 쿼크가 있으며 마지막으로 가장 무겁고 엄청남 에너지를 가진 탑 쿼크와 보텀 쿼크가 있다. 이들은 각기 반입자가 존재하기에 12개로 볼 여지도 있다. 입자와 반입자는 만나면 서로 상쇄시키기에 같이 존재하는 경우는 거의 없다.
 양성자(Proton)는 업 쿼크 2개 + 다운 쿼크 1개의 시스템이다. 업 쿼크가 +2/3의 전하를 가지고 다운 쿼크가 -1/3의 전하를 띄기에 전체적으로 +1의 전하를 보여준다(+1 = +2/3*2 - 1/3*1). 중성자(Neutron)는 업 쿼크 1개 + 다운 쿼크 2개로 구성되기에 같은 원리로 0의 전하를 가진다(0 = +2/3*1 - 1/3*2). 그리고 잘 알려져있듯이 양성자의 수와 같은 수의 전자가 핵주위를 돌면서 원자의 전하는 안정적인 경우 0이 되고 외곽에 있어 잃기 쉬운 전자를 다른 원자 등에 빼앗기면 그 수에 해당하는 +의 전하를 가지게 되어 그 수에 해당하는 - 전하를 가진 원자와 결합하여 분자를 구성하는 것이 우주 구성의 기본 원리다. 이를 알게 되었던 아인쉬타인이 유대교의 유일신인 야훼가 아닌 자연 그 자체를 유일신으로 믿었던 것도 무리는 아니라는 생각이 든다.