쿼크

쿼크

양성자와 중성자가 원자핵을 이루는 것과 같이 양성자와 중성자 그 자체도 쿼크로 이루어져 있다고 생각한다.

양성자와 중성자 외에 다른 중입자들도 핵의 구성성분을 결합하는 힘인 강력에 의해서 상호작용하는 모든 입자처럼 쿼크로 설명한다. 현재 받아들여지는 이론에 의하면 쿼크는 질량을 가지고 있으며 각운동량의 양자역학적 기본단위의 1/2 스핀(입자의 축 주위의 회전에 해당하는 본질적인 각운동량)을 갖는다.

후자의 특성은 쿼크들이 파울리의 배타 원리를 따른다는 것을 말한다. 이 배타 원리는 반정수의 스핀을 갖는 두 입자는 완전히 같은 양자 상태에 함께 존재할 수 없음을 말한다. 쿼크는 궁극적인 기본입자로 보인다. 쿼크는 내부 구조가 없는, 즉 더 작은 그 무엇으로 분리될 수 없는 입자이다. 쿼크는 결코 독립적으로 존재하지 않으며 항상 다른 쿼크들과 결합하여 생긴다.

여러 해 동안 물리학자들은 자유 상태의 쿼크를 관측하기 위해 입자가속기에서 중입자를 때려 쿼크를 떼어내고자 시도했지만 아직까지 성공하지 못했다.

1960년대에 실험에서 관측되는 숫자가 점점 증가하는 원자구성입자들을 설명하기 위한 노력으로 이론물리학자들은 양성자와 중성자가 더 작은 물질의 단위로 이루어져 있을 가능성을 고려하게 되었다. 1961년 미국의 머리 겔 만과 이스라엘의 유발 네만의 두 물리학자는 강력으로 결합한 입자들을 구조 성분으로 설명하는 8정도 또는 SU(3)라고 불리는 입자분류구조를 제안했다(8정도). 1964년 겔 만은 그러한 구조의 물리적 기초로 쿼크 개념을 도입했다.

쿼크는 제임스 조이스의 소설 〈피네건의 경야 Finnegans Wake〉에 나오는 문장에서 따온 용어이다(미국의 물리학자인 게오르크 츠바이크도 그해에 독립적으로 유사한 이론을 발표했으며 그의 기본적인 입자를 '에이시스'[aces]라고 불렀음). 겔 만은 모든 중간자가 1개의 쿼크와 1개의 반쿼크로 이루어져 있고 모든 중입자는 3개의 쿼크들로 이루어져 있다는 간단한 구상을 모형으로 제시했다.

또한 각각 구별되는 향(香 flavor)을 가진 3가지 종류의 쿼크들이 있다고 가정했다. 이 3가지 쿼크들은 현재 u(up), d(down), s(strange)로 흔히 표시된다(위쿼크, 아래쿼크, 야릇한 쿼크). 각각은 분수의 전자 전하를 지닌다. 즉 전자의 전하보다 작다. u와 d 쿼크는 양성자와 중성자를 이루는 것으로 생각되며 따라서 보통 물질에서 발견되는 것들이다.

s 쿼크는 오메가 입자(Ω^－)와 보통 물질에는 없는 극히 짧은 수명을 갖는 원자구성입자들의 구성성분이다.

쿼크를 실제적인 물리입자로 해석하면 2가지 중요한 문제점이 제시된다. 첫째, 쿼크 모형이 성립하기 위해서 쿼크는 반정수의 스핀을 가져야 하는데 쿼크가 파울리의 배타 원리를 만족시키지 않는 것으로 보인다는 것이다. 쿼크로 이루어진 중입자와 중간자의 구조에서 때때로 2개 또는 3개의 같은 쿼크들이 같은 양자상태에 있어야만 하는 조건이 있는데 이는 배타 원리에 의해 금지되어 있는 현상이다.

둘째, 쿼크는 그들이 이루고 있는 입자에서 자유로워지는 것을 거부한다는 것이다. 쿼크들을 묶어두는 힘이 강하기는 하지만 입자가속기에서 고에너지의 전자와 중성미자를 충돌시켜도 떨어지지 않을 만큼 강하지는 않은 것으로 보인다. 이 문제점들은 양자색역학(quantum chromodynamics/QCD)에서 나타난 색의 개념을 도입함으로써 해결되었다.

1977년에 나온 이 강한 상호작용의 이론에서 색은 일상 생활에서 말하는 색과는 무관하며 쿼크의 특정한 양자 특성을 의미한다. 빨강·녹색·파랑은 쿼크를 나타내며 그 색의 반대인 음의 빨강, 음의 녹색, 음의 파랑은 반쿼크를 나타낸다. 양자색역학에 의하면 모든 쿼크의 결합은 이들 가상적인 색들이 똑같이 섞여 있어서 전체 색이 없어지도록 서로간에 상쇄하게 된다.

예를 들어 중입자는 항상 빨강·녹색·파랑 쿼크들이 하나씩 결합되어 있다. 강한 상호작용에서 색의 역할은 전자기 작용에서 전하의 역할과 유사하다. 전하는 대전 입자들 사이의 광자교환을 의미한다. 마찬가지로 색은 쿼크들 사이에 글루온이라는 무질량 입자의 교환을 포함한다. 광자가 전자기력을 전달하듯이 글루온은 쿼크들을 서로 묶어두는 힘을 전달한다. 쿼크는 글루온을 방출하고 흡수해 그 색을 바꾸며 글루온을 교환함으로써 적당한 쿼크색의 분포를 유지한다.

쿼크들이 서로 가까이 있을 때 글루온에 의하여 전달되는 결합력은 약하다.

양성자의 지름인 약 10^-13㎝의 거리에서 쿼크들은 서로 자유로이 움직인다. 이 조건을 점근자유(漸近自由)라고 한다. 그런데 양성자에서 쿼크들을 차내버리듯이 떼어놓으려고 하면 그 결합력은 강해진다. 이 현상은 상호작용하는 물체들 사이의 거리의 제곱에 따라서 더 약해지는 전자기력과는 대조된다. 양자색역학에 의해서 설명되듯이 글루온은 쿼크들 사이를 움직이면서 다른 글루온을 생성시킨다.

따라서 한 쿼크가 가속 입자에 의해서 충격을 받은 후 옆의 쿼크들로부터 멀어지려고 하면 글루온들은 쿼크의 운동으로부터 얻는 에너지를 이용해 더 많은 글루온을 만들어낸다. 쿼크들 사이에 글루온들이 많이 교환될수록 결합력은 더 세어진다. 쿼크를 떼내기 위하여 에너지를 추가하면 이는 단지 처음의 쿼크와 결합하고 있는 새로운 쿼크와 그 반쿼크를 만드는 에너지로 변환될 뿐이다.

양자색역학이 쿼크의 운동을 설득력 있게 설명하고 그들의 기본 특성을 계산하도록 해주지만 1970년대 말에 발견된 두 종류의 무거운 쿼크들에 연관된 'charm'과 'bottom'의 향을 설명하지는 못한다.

중간자의 생성을 통해 이루어진 c(charm：매혹)쿼크와 b(bottom：하층)쿼크, 그리고 그들의 반쿼크들의 발견은 쿼크들이 쌍으로 생성된다는 것을 강하게 암시해 준다(매혹쿼크, 하층쿼크). 이와 같은 추론으로 제안된 향이 t(top：상층)인 6번째의 쿼크를 발견하려는 노력이 있었다.

이론에 의하면 t쿼크는 ＋2/3의 전하를 가지며 그 상대입자인 b쿼크는 －1/3의 전하를 갖는다. t쿼크는 추정되는 질량이 80GeV보다 크며 가장 질량이 큰 쿼크이다. 여러 형태의 자료에 대한 일치된 견해에 의하면 쿼크의 질량은 130GeV 정도로 생각된다. 대부분의 물리학자들은 t쿼크가 자연의 기본적인 구성성분에 관한 현재의 이론 구조를 완성시키기 때문에 t쿼크가 존재한다고 믿고 있다.→ 원자구성입자