흥미진진 과학스토리 ㉜ 입자는 왜 그렇게 많을까?

입자물리학의 표준모델에서 궁금했던 이야기를 풀어보자.

이 표준모델에서 가장 먼저 궁금했던 점은 ‘쿼크’ 였다. 우주의 물질은 양성자, 중성자 그리고 전자로 구성되어 있다. 이 세 개면 충분하다. 이중에 전자(electron)는 기본입자로 쪼개지지 않는다. 그리고 양성자를 쪼개면 업쿼크 2개와 다운쿼크 1개가 나오는데 중성자와 더불어 기본입자는 아니다. 쿼크가 기본입자다. 양성자 속으로 전자가 들어가면(엄청난 에너지가 필요하다) 중성자가 되는데 중성자는 다운쿼크 2개와 업쿼크 1개로 구성되어 있다.

전기적으로 중성인 중성자와 플러스를 띄고 있는 양성자가 어떻게 강력하게 묶일 수 있을까? 이 마법의 주인공은 글루온(gluon)이다. 실리콘 접착제를 쏘는 장치를 ‘글루건’ 이라고 하는데 접착을 의미하는 'glue'에서 유래했다. 글루온은 강한 핵력을 전달하는 매개입자이며 기본입자로 확인되었다. 글루온이 강력하게 묶어주는 양성자와 중성자를 ‘강입자’라고 부르기도 한다.

중성자를 쪼개면 전자와 양성자가 된다. 이 현상을 ‘베타붕괴’ 라고 부르는데 원자력 발전이 바로 이 원리를 이용하는 것이다. 중성자가 양성자와 전자로 붕괴할 때 에너지 보존법칙에 의하면 베타붕괴의 전과 후는 질량이 같아야 한다. 그런데 미세한 차이가 난다는 것을 과학자 파울리가 발견한다. 파울리는 이 질량의 차이만큼의 크기를 가진 물질이 있을 것이라고 예측했다. 전기적으로 중성일 것으로 추정되는 이 물질을 1933년에 페르미라는 과학자가 ‘전자반중성미자’라는 이름을 붙였다. 워낙 미약한 존재라서 1999년에 일본에서 확인되었다.

이 베타붕괴와 관련된 힘을 약한 핵력이라고 부른다. 전자기력보다 그 힘이 약하기 때문에 붙여진 이름이다. 그리고 이 약한 핵력을 전달하는 입자는 W와 Z로 두 종류가 있다.

이렇게 우주는 4가지의 힘과 지금까지 확인된 바, 17개의 입자들로 구성되어 있다. 여기서 내가 가졌던 의문은 업쿼크와 다운쿼크 그리고 전자, 이세 개만 있으면 우주는 충분히 만들어지는데 왜 기본입자가 왜 이렇게 많을까 하는 것이다. 표준모델에 따르면 현재까지 확인된 기본 입자는 무려 17개나 되는데 여기에는 누구나 있을 것으로 예측되는 중력자(graviton)조차도 포함되지도 않았다. 앞으로 발견될 기본입자들은 몇 개가 더 늘어날지 모르는 일인 것이다. 이 의문의 여분의 입자들의 존재에 대한 질문은 철학자들이 몫일까? 하여간 수학의 수식은 문제없이 잘 돌아가지만 우리의 생각은 이것을 따라잡지 못하고 있다.

‘과학책을읽는보통사람들‘ 회원 허심

#66호