물리학 쿼크, 경입자 및 대폭발

현대적인 그러나 동시에 가장 오래된 자연의 근원을 캐는 두 연구 분야가 있다. 이들 분야에 있어 핵심적인 물음은 우주는 무엇으로 이루어졌는지와 우주는 어떻게 지금과 같은 모습을 하게 되었는지이다. 이들 물음에 답하기 위한 과정은 지난 수십 년 동안 급격히 진전되었으며 성급한 판단일지 모르나 정확한 해답이 멀지 않은 장래에 밝혀지리라는 것을 확신하는 사람들이 늘어나고 있다. 사실 이들 두 물음은 서로 관계가 깊다. 지상에서 제아무리 커다란 가속기를 만들어 점점 더 높은 에너지 입자를 충돌시키더라도 물리학 이론으로 설명하고자 하는 에너지 영역의 입자를 만들 수 없다는 것을 물리학자들은 깨닫게 되었다.

 

 

매우 큰 에너지를 가진 입자들을 얻을 수 있는 유일한 곳이 바로 탄생한 지 1분도 지나지 않은 우주이다. 우주적인 시간으로 초기 우주를 형성하였던 "쿼크들의 반죽"이 입자물리학의 이론을 검증할 수 있는 시험대이다. 1930년대에 많은 물리학자가 물질의 궁극적인 구조를 잘 설명할 수 있게 되었다고 생각했었다. 단지 세 종류의 입자들 즉 전자, 양성자 및 중성자로 원자를 잘 설명할 수 있게 되었다.

 

양자이론은 원자의 구조와 알파붕괴 현상을 잘 설명하였다. 비록 관측되지는 않았으나 중성미자를 가정하였고, 이 중성미자는 페르미에 의해 베타 붕괴 현상을 성공적으로 설명하는 이론에 이용되었다. 양성자와 중성자에 적용된 양자이론은 곧 핵의 구조를 잘 설명할 수 있으리라고 생각되었다. 그러나 보다 더 기본적인 입자를 찾으려는 노력은 여기서 끝나지 않았다. 바로 그 1930년대 말부터 오늘날까지 새로운 입자들이 발견되는 새 시대가 열렸다.

 

새로운 입자들은 불안정하며 이들의 평균수명은 매우 짧아 이런 입자들의 존재 여부는 단지 간접적인 방법에 의해서만 확인이 가능하다. 새로운 입자들은 우주공간으로부터 날아와 대기권의 원자핵들과 충돌하여 발생하는 우주선이라 불리는 높은 에너지의 양성자에 의하여 촉진된 핵반응 속에서 처음 발견되었다. 그러나 계속해서 새로운 입자들이 시카고 근교의 페르미 연구소 등에 설치된 가속기에서 높은 에너지로 가속된 양성자나 전자 사이의 정면충돌 과정을 통해 무수히 발견되었다.

 

한편 입자검출기도 그 크기와 복잡성에 있어서 가속기 자체에 버금갈 정도로 점점 커져만 갔다. 입자가 반입자와 충돌할 때 이들은 서로 소멸한다. 즉 이들의 정지질량 에너지의 합이 다른 꼴로 바뀌면서 소멸한다. 전자가 양전자와 충돌할 때 이 에너지는 두 개의 감마선인 광자들로 바뀐다. 정지한 두 입자가 소멸할 때는 운동량 보존법칙이 성립해야 하고 광자들은 정지할 수 없기 때문에 광자들은 똑같은 에너지를 나누어 가지고 서로 반대 방향으로 날아갈 것이다.

 

입자물리학에서 현재 존재하고 있는 수수께끼의 하나는 우리가 사는 세계가 주로 반입자가 아닌 입자로 이루어진 세계라는 사실이다. 반물질에 비해 주로 물질로 구성된 세계가 우리가 속한 은하계까지 펼쳐있다는 것이다. 멀리 떨어져 있는 곳에 반물질 은하계가 존재하고 이 은하계의 원자는 반양성자로 구성된 핵과 이를 둘러싸는 양전자의 구름으로 구성되어 있다고 추측할 수도 있다. 그리고 만일 그런 은하계 출신의 반물질 물리학자가 우주공간에서 은하계 출신의 물리학자와 만나서 악수할 때 일어날 수 있는 재앙도 예측할 수 있다. 그러나 현재의 정론은 온 우주가 반물질에 비해 주로 물질로 이루어져 있으며 우주에는 반물질 물리학자는 존재하지 않는다는 것이다.

 

전형적인 입자 궤적을 분석하여 나타난 궤적은 액체수소로 채워진 거품상자를 통해 높은 에너지의 대전입자가 지나갈 때 형성된 거품의 흐름이다. 거품들 사이의 상대적인 거리를 측정하면 여러 궤적 가운데 특정한 궤적을 남기는 입자를 알아낼 수 있다. 자기장은 거품상자 속으로 투과하여 들어가 양전하를 띤 입자들의 궤적을 반시계 방향으로, 음전하를 띤 입자들의 궤적을 시계방향으로 휘게 한다. 궤적의 곡률 반지름을 측정하면 궤적을 남긴 입자들의 운동량을 계산할 수 있다.

 

다른 분석 도구로는 아직 논의하지 않은 다른 보존법칙들과 함께 에너지, 선운동량, 각운동량 및 전하의 보존법칙이 있다. 실제로 이런 분석들은 삼차원에서 수행되어야 한다. 입사된 반양성자가 거품상자 속의 양성자와 충돌하여 함께 소멸한다. 소멸과정은 입사한 반양성자가 날아가는 동안 일어난다고 말할 수 있다. 왜냐하면 거품상자 속에서 생성된 대부분의 입장들은 양성자의 진행 방향이 오른쪽으로 향하고 있기 때문이다.

 

한편 선운동량의 보존법칙으로부터 반양성자는 오른쪽을 향해 입사했다고 말할 수밖에 없다. 반양성자와 양성자의 충돌 시 이 계의 총에너지는 반양성자의 운동에너지와 두 동등한 입자들의 정지질량 에너지의 합으로 주어진다. 이것은 여러 개의 보다 가벼운 입자들을 생성시키고 이들이 운동에너지를 갖도록 하기에 충분한 에너지이다. 이 경우 반양성자와 양성자의 소멸은 4개의 양전하를 띤 입자와 4개의 음전하를 띤 입자를 생성한다.

 

전기적으로 중성인 중성미자는 비적을 남기지 않는다. 입자와 중성미자는 모두 경입자이다. 즉 이들은 강력히 작용하지 않는 입자들이다. 즉 에너지는 입자 중성미자의 운동에너지로 분배된다. 따라서 입장과 중성미자의 스핀들이 서로 반대이면 각운동량은 보존된다. 대폭발로 인해 매우 짧은 시간에 높은 에너지로 쿼크들이 급격한 충돌과 소멸 과정을 거쳐 경입자를 생성하였다. 경입자들의 조합이 원자들의 근원이고 또한 다양한 조합으로 물질을 형성하고 있다.