[독후감]입자란

입자
◎ 입자란
일상적 용어로 입자란 아주 작고 거의 눈에 보이지 않을 정도의 작은 물체를 의미한다. 그러나 물리학에서의 입자는 공간상 한 점에 위치하도록 이상적으로 모형화된 실체이다. 자연 상태에서 안정적인 입자들로는, 양성자, 전자, 중성미자의 세 가지 뿐이고 나머지 입자들은 모두 순간적이거나 과도적인 입자들이다
입자는 크게 렙톤, 메존, 베리온 이렇게 구분되는데, 우선 관심 있게 보아야 하는 것은 렙톤이다. 렙톤은 전자와 중성미자 등의 기본입자들로 쿼크와 달리 혼자 존재할 수 있습니다. 여기에 6개의 쿼크가 모여 우주에 존재하는 모든 입자들의 구성 요소가 된다.
그림에서는 왼쪽의 여성이 기본 입자들을 제공하고, 오른쪽 남성이 그 입자들을 결합해서 물질을 만들고 있다. 쿼크들은 글루온이라 불리는 매개 입자를 통해서 결합을 시킨다. 필요한 경우에는 약력 입자를 통해서 입자 종류를 변경시킬…(생략)

1. 페르미온 fermion - 입자 particle

1.2. 렙톤 - 경입자 輕粒子

2.3. 중력자 graviton : 중력의 매개자로 가정하는 입자임, 발견되지 않음

arion - 중입자 重粒子
- `무거운 입자`라는 뜻의 이름임
- 충돌로 쪼개지면 3개의 쿼크가 생김
- 양성자만 안정적이고 중성자 등은 불안정하여 붕괴됨
1.1.1.1. 양성자
1.1.1.2. 중성자
1.1.2. 메존 meson - 중간자 中間子
- `중개하는 입자`라는 뜻의 이름임
- 충돌로 쪼개지면 1 개의 쿼크와 1 개의 반 쿼크가 생김
- 모두 불안정하여 붕괴됨 : 전하가 있으면 전자와 중성미자로, 전하가 없으면 광자로 붕괴됨
- 중성자를 가속시켜 물질에 충돌시켜서 발생시킴
- 우주선이 대기와 충돌할 때에도 생김
1.1.2.1. 케이온
1.1.2.2. 파이온
1.1.2.3. ŋ [에타] 중간자

1.2. 렙톤 - 경입자 輕粒子
- `미세한 입자`라는 뜻의 이름임

1.2.1. 대전된 렙톤 charged lepton
1.2.1.1. 전자 electron : 음의 전하량을 가지며 안정적임
1.2.1.2. 뮤온 muon : 전자와 같은 전하량을 가지며 불안정하여, 전자와 두 개의 중성미자로 붕 괴됨
1.2.1.3. 타우 tau : 전자와 같은 전하량을 가지며 불안정하여, 붕괴되어 중성미자, 전자, 뮤온 등 으로 바뀜

1.2.2. 중성 렙톤 neutral lepton - 중성미자 neutrino
: 전기적으로 중성이고 질량이 0에 가까우므로 다른 물질과 거의 상호작용을 하지 않으므로 안정적임
1.2.2.1. 전자 중성미자 electron neutrino
1.2.2.2. 뮤온 중성미자 muon neutrino
1.2.2.3. 타우 중성미자 tau neutrino

2. 보존 - 파동 波動 wave
- 인도 물리학자 `bose`의 이름을 따서, `보즈의 입자`란 뜻의 이름임.
- 스핀이 1임.
- `보즈-아인슈타인 통계`(Bose-Einstein statistics)를 따름
: 같은 상태의 파동이 한 공간에 중첩될 수 있음을 내포함

2.1. 게이지 보존 gauge boson
2.1.1. 광자 photon : 빛, 전자기파
2.1.2. 글루온 gluon : 쿼크들을 서로 붙이는 역할을 함, 강력(강한 상호작용)에 관계함
2.1.3. W 및 Z boson : 약력(약한 상호작용)에 관계함

2.2. 힉스 보존 Higgs boson : 입자에 질량을 부여하는 것으로 가정하는 입자임, 발견되지 않음

2.3. 중력자 graviton : 중력의 매개자로 가정하는 입자임, 발견되지 않음

위에서 살펴 본 여러 종류의 입자들은 존재는 하지만 이 가운데 많은 입자들은 불안정하여 금새 붕괴되어 더 하위의 입자들로 바뀌게 된다.
즉, 중성자(약 15분의 수명)를 제외한 대부분의 불안정한 입자들은 생긴 뒤에 눈깜짝할 사이에 사라지므로, 일시적으로 존재하는 불안정한 입자들을 제외하고 안정된 것들만 고른다면 다음과 같다.

[표준 모형의 입자 중에서 안정된 것만 고르면]
1. 페르미온
1.1. 하드론
1.1.1. 바리온
- 양성자
(중성자 : 원자 속에서만 안정적이고 홀로 있으면 약 15분 만에 붕괴되어 양성자, 전자, `전자 반중성미자`로 바뀌므로 안정된 입자에서 제외시켰음)

(그 외의 바리온들은 모두 불안정하여 금방 붕괴함)

1.1.2. 메존
(안정된 입자 없음)
1.2. 렙톤
- 전자
- 중성미자 (안정적이므로 수명이 매우 긴 것으로 알려져 있으나 아직 정확히는 모름)

2. 보존
(입자가 아닌 파동임)

자연 상태에서 안정적인 입자들로는, 양성자, 전자, 중성미자의 세 가지 뿐이고 나머지 입자들은 모두 순간적이거나 과도적인 입자들이다.

모든 입자는 상호 작용을 하게 되는데, 물질 자체가 다른 물질과의 관계 속에서 상호 잡아당기는 ‘중력’, 전기를 띈 입자들 사이에 작용하는 물질 속에서는 원자핵과 전자를 결합시키는 ‘전자기력’, 원자핵 안에서 양성자와 중성자를 결합하는 ‘강학 핵력’ 과 소립자들을 다른 소립자들로 변화시키는 ‘약한 핵력’ 이 있다. 이 힘들이 바로 우리가 보는 우주를 이룰 수 있게 만들어 주는 힘 전달자들이다.
소립자란 `하위 구조`(substructure)가 아직 알려지지 않은 입자를 뜻한다. 따라서, 이 소립자들이 더 작은 것으로 이루어진 것이 앞으로 발견된다면 더이상 소립자가 아니게 되며 발견된 새로운 것이 소립자가 된다. 하지만, 더 이상의 하위구조가 없다면 이는 진정한 소립자가 될 것이다. 한편, 둘 이상의 소립자들로 이루어진 입자를 `복합 입자`(composite particle)라 부른다. 따라서, `소립자`의 종류는 물리학의 발전에 따라 분자에서 원자를 거쳐 계속 바뀌워 왔다.

쿼크

1963년 봄 컬럼비아 대학교에 초빙되어 강의를 하고 있던 겔만은 어느 날 서버 교수와 구내 교수 식당에서 점심을 같이 들고 있었다. 점심을 들면서 삼각형으로 접혀 있는 냅킨을 서버 교수가 그저 지나가는 말로 “기본 입자들이 세 종류이고 이들이 ‘냅킨’모양처럼 삼각형의 구도를 이루고 있지 않을까”라고 했다. 그는 이 이야기를 하고 곧 점심을 먹기 시작했고 화제는 다른 데로 흘러갔다. 그러나 겔만은 이 말을 흘려듣지 않았다. 패서디나에 있는 캘리포니아 공과대학에 돌아간 겔만의 뇌리에는 서버의 말이 맴돌고 있었다.
그는 칠판에 삼각형을 기본 무늬로 하는 ‘타일’을 그리기 시작했다. 양성자와 중성자 그리고 중간자 등 알려져 있는 입자를 분해하면, 그보다도 훨씬 작은 기본 입자로 되어 있다고 생각했다. 그 삼각형의 꼭짓점에 기본 입자들이 놓여 있는 그림을 상상했고 이들을 업(up)쿼크, 다운(d)쿼크, 스트레인지(s)쿼크라고 이름지었다. 문학에도 밝고 언어학에도 유별난 재능을 가진 겔만 교수는 제임스 조이의 『피네건의 경야』라는 소설에서 쿼크라는 이름을　따왔다.
쿼크 타일
반쿼크 타일
입자가 있으면 반드시 반입자 역시 존재해야 한다. 따라서 흰색 ‘쿼크 타일’(왼쪽삼각형)이 있으면 검은 ‘반쿼크 타일’도 있어야 한다. 겔만은 반쿼크는 뒤집은 삼각형 모양(오른쪽 삼각형)으로 생각했다.

이어서 겔만은 업 쿼크 다운 쿼크 및 스트레인지 쿼크의 질량과 전기량을 가정하는 쿼크 표를 만들어 보았다.
쿼크 표
전하
2/3
-1/3
3
질량()
75
75
450
쿼크 표가 결정되면 질량은 같지만 전하는 반대이므로 반쿼크표도 곧바로 만들 수 있다. 반쿼크표는 아래와 같이 결정된다.
반쿼크 표
전하
2/3
-1/3
3
질량()
75
75
450
겔만은 그 때까지 발견된 모든 입자는 쿼크와 반쿼크로서 설명된다고 생각했다. 예를 들면 중간자는 업쿼크와 반다운 쿼크로 이루어져 있다고 생각했다. 업 쿼크의 전하는 2/3이고 반다운 쿼크는 +1/3이므로 이들의 합은 +1/3이 되어 중간자의 전하와 같고 질량 역시 75+75=150이므로 메손의 질량 140메가전자볼트와 대충 맞아 떨어진다.

그림 1
겔만은 삼각형 모양의 쿼크 타일과 반쿼크 타일을 이어 붙이면 모든 입자를 설명할 수 있다고 생각했다. 앞 그림의 왼쪽 삼각형과 오른쪽 삼각형을 합치고 다시 오른쪽의 반쿼크 삼각형은 쿼크 삼각형의 왼쪽에 붙이는 식의 작업을 계속하면, 위의 그림1과 같은 무늬가 된다.
먼저 왼쪽 삼각형에서 오른쪽 꼭짓점에서 반다운 쿼크와 업쿼크가 만나고 이것이 중간자이다. 그리고 반대쪽 꼭짓점에서는 반업 쿼크와 다운 쿼크가 만나고 있다. 이것은 중간자에 해당한다. 이런 식으로 각 꼭짓점의 쿼크 결합을 확인해 보면 각 꼭짓점들이 각각 어떤 중간자를 가리킴을 알 수 있다. 게다가 질량과 전하도 규칙적으로 설명할 수 있었다.

그림 2

겔만은 ‘넵킨-타일’논리를 확장해 양성자, 중성자 같은 바리온들도 그림 같은 쿼크 무늬로 설명할 수 있음을 확인했다. 또 이 육각형을 포함한 뒤집어진 삼각형을 사용하면 이미 발견된 바리온도 설명할 수 있다고 생각했다.
겔만은 이 육각형과 역삼각형 타일을 이용해 기존에 발견된 중간자와 바리온들의 질량, 전하, 스핀의 값들을 규칙적으로 설명하는 데 성공했다.
겔만은 자신의 ‘넵킨-타일’ 이론에 ‘팔정도(八正道)’라는 이름을 붙였다. 불교에서 깨달음에 이르게 해 주는 여덟 가지 올바른 길을 뜻하는 이 거창한 이름을 자신의 이론에 붙인 걸 보면 겔만이 자신의 이론에 어느 정도의 자신감을 가지고 있었는 지 짐작할 수 있다.

◎ 입자모형을 쓰는 이유
물리학에서 이러한 이상적인 입자모형을 쓰는 이유는 문제를 단순화 하려는 것이다. 왜냐하면 입자 모형에서는 연구대상의 크기, 모형 및 내부구조를 고려할 필요가 없도록 유용하게 단순화할 수 있기 때문이다. 예를 들면 핵은 아무리 작다고 해도 크기를 가지고 있는데 핵 주위를 도는 전자의 궤도운동을 연구하는 경우 핵을 하나의 입자로 생각한다. 우리가 생각하기에 핵보다 훨씬 큰 지구도 태양 주위를 돌 때 하나의 입자로 간주한다. 즉, 지구나 태양의 질량이 한 질점에 모여 있는 것 같이 생각한다. 그러나 폭풍, 지진 또는 조류를 연구하는 경우에는 지구의 내부구조와 회전운동이 중요하기 때문에 지구를 입자로 취급할 수 없다. 다음은 입자물리에서 밝혀진 소립자에 대해 개괄적인 설명이다.
물질은 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있고 이들을 소립자라 부른다. 다시 소립자는 경입자(lepton)와 강입자(hadron)로 분류한다. 경입자는 내부구조도 없고, 공간에서 크기도 가지지 않는 3쌍의 진정한 기본입자처럼 보인다.(여기서 `~처럼 보인다`고 한 것은 인간이 여기까지만 발견했기 때문이다. 만약 기본입자보다 더 작은 입자를 발견한다면 그것이 기본입자가 될 것이다.) 경입자에는 전자(electron), 뮤온(muon), 타우(tau)가 있고, 이들은 각각 반입자인 e-뉴트리노, 뮤-뉴트리노, 타우-뉴트리노들과 쌍을 이룬다. 이들은 모두 강한 상호작용에 영향을 받지 않으며, 모두 페르미온(fermion)이다. 페르미온이란 같은 상태에 두 가지 입자가 들어가지 못하는 입자를 말하고 보존(boson)과 반대이다. 보존(boson)은 같은 상태에 입자들이 얼마든지 존재할 수 있다. 예를 들면 빛 알갱이(photon)는 보존(boson)인데, 같은 상태에 얼마든지 존재할 수 있다.
강입자는 중입자와 중간자로 나눈다. 양성자나 중성자와 같이 3개의 쿼크들로 구성되어있는 강입자를 중입자(바리온：baryon)라 부르고 페르미온이다. 파이온과 같은 중간자(메존：meson)는 두 개의 쿼크로 이루어져 있고 보존(boson)이다. 강입자는 강한 상호작용을 하는 입자들로 크기가 무한히 작은 것이 아니라 공간을 차지하고 있다는 점에서 경입자와 구별된다.

◎ 빛의 이중성(입자성/파동성)
빛이 파동인가 입자인가 하는 논란은 역사적으로 끊임없이 계속되어 왔다. 입자성이란 하나의 물질로서 다른 물질에 충돌하면 충돌된 물질을 움직이게 하는 운동에너지라는 것을 갖고 있다는 것이고, 파동성이란 빛의 에너지가 마치 물결처럼 일정한 굴곡을 형성하고 있어서 그 파장으로 인해서 여러 가지 색깔을 나타내고 있다는 것이다.
17세기 당시 빛의 입자설과 파동설이 대립하였으나, 18세기 뉴튼(Isaac Newton, 1642~1727)을 거치면서 입자론이 굳어졌다.
그러나 19세기 들어와 1801년 토마스 영(Tomas Young, 1773~1829)의 이중 슬릿 실험을 통해 파동설이 다시 부각되었으며, 프레넬(Augustin Jean Fresnel, 1788~1827)의 `빛의 파동이론` 등에 의해 파동설이 자리를 잡게되었다. 또한 맥스웰(James Clerk Maxwell 1831~1879)은 1873년 `전자기파` 가설을 내세우며, 빛과 전자기파는 본질적으로 같은 것이라고 주장하였다.
그러나 20세기에 들어서 막스 플랑크(Max Karl Ludwig Planck, 1858~1947)의 양자가설, 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)의 광전효과 실험, 콤프턴(Arthur Holly Compton, 1892~1962)의 X선 산란 실험 등은 빛의 입자성을 또 다시 증명해 주었다.
이후 빛의 파동과 입자라는 이중성은 양자역학을 통해 모순 없이 이해될 수 있었으며, 이에따라 현대 물리학에서는 빛의 성질을 입자성과 파동성을 동시에 지녔다고 정의한다.