입자 동물원 그리고 풀리지 않은 의문점

1930~1940년대에 입자 가속기를 통한 원자의 구조에 대한 탐사가 가속화됐습니다. 원자와 다른 입자의 충돌에 의한 방출 에너지는 다른 입자로 변환되어 입자 동물원을 만들어 내게 되었습니다. 1964년 겔만이 하드론의 성질을 설명하기 위해 쿼크라는 소립자의 존재를 제안했습니다. 이론물리학자들은 여전히 아직 풀리지 않은 문제들을 해결하기 위해 노력하고 있습니다.

 

1. 입자 동물원에 대한 이해

1930년대와 1940년대 2차 세계대전과 원자력에 대한 경쟁 덕분에 원자의 구조에 대한 탐사가 가속화됐습니다. 이러한 탐사를 위한 가장 유용한 도구는 입자 가속기였는데, 입자 가속기는 전자기장을 이용해 원자와 다른 입자들을 극한의 속도로 가속시킨 다음 그것들을 서로 충돌시켜 거기서 방출되는 파편들을 조사하는 장치입니다. 이러한 방법으로 검출된 모든 입자들이 원 물질의 구성 성분인 것은 아닙니다. 충돌에 의해 방출된 에너지는 아인슈타인의 E=mc^2 공식에 따라 흔히 볼 수 없는 다른 입자로 변환될 수 있습니다. 그 결과, 아원자 입자들의 수가 급격이 증가해 매우 혼란스러운 입자 동물원을 만들어 내게 됐습니다.

 

물리학자들은 이 동물원 안에서 서로 다른 기본적인 힘들에 의해 영향을 받는 입자들을 구별해 내기 시작했습니다. 모든 입자들은 전자기력과 (아주 미세하게) 중력의 영향을 받는 것처럼 보이지만, 아원자적 거리에서만 작용하는 힘들 역시 존재합니다. 이것들을 약한 핵력과 강한 핵력이라고 부릅니다. (양성자와 중성자 같은) 하드론이라고 불리는 무거운 입자들은 4가지의 힘 모두로부터 영향을 받지만, (전자와 같은) 가벼운 렙톤(경입자)은 강한 힘의 영향을 받지 않습니다.

 

2. 쿼크와 보손 그리고 풀리지 않은 의문점

이는 1960년대가 돼서야 명확해졌는데, 미국의 물리학자 머리 겔만과 다른 물리학자들은 만약 다양한 하드론들이 쿼크라고 불리는 두세 개의 더 작은 입자들로 구성돼 있다면, 이 하드론들의 성질을 설명할 수 있다고 보았습니다. 궁극적으로 알려진 모든 하드론들은 쿼크의 6가지 '맛깔'들(위, 아래, 맵시, 야릇한, 꼭대기, 바닥)의 조합에 의해 만들어집니다. 편리하게도, 이들은 6가지 렙톤(전자, 뮤온, 타우온, 그리고 이들 각각에 대응되는 뉴트리노)에 대응됩니다. 이들은 물질의 기본적인 입자들로 여겨지며, 전체적으로 페르미온으로 알려져 있습니다. 힘은 질량을 가진 입자들 사이에 전달되며, 이 힘을 전달하는 질량이 없는 입자들을 보손이라고 부르는데, 보손들 중 가장 잘 알려진 것은 전자기력을 전달하는 광자입니다. 강한 핵력을 전달하는 글루온과 약한 핵력을 전달하는 W와 Z 입자도 보손입니다.

 

이렇게 백 년이 넘는 기간 동안 원자 중심부로의 과학적 여정을 통해 우주에 존재하는 모든 물질들의 기저에 존재하는 구조가 밝혀졌습니다. 그러나 물질과 힘에 대한 표준적 모형은 1960년대 이후로 수많은 테스트를 견뎌 냈어도, 아직 의문점들이 많이 남아 있습니다. 이론물리학자들은 다음과 같은 문제들을 풀기 위해 노력하고 있습니다. "왜 서로 다른 힘들이 각각의 방식으로 작동하는가?", "그 힘들은 하나의 '모든 것의 이론' 안에서 통합될 수 있는가?", "왜 기본 입자들은 그러한 성질들을 보여 주는가?" 한편 실험물리학자들은 2008년 프랑스와 스위스의 국경 지역에 세워진 대형 강입자 충돌기를 이용해 이론물리학자들에 의해 예측된 새롭고 찾기 힘든 입자들을 탐지해 낼 수 있기를 기대하고 있습니다.

입자동물원

 

 

오늘은 입자동물원 그리고 풀리지 않은 의문점에 대해 포스팅해 보았는데 어떠셨나요? 조금 어려운 내용일 수도 있는데 읽어주셔서 감사합니다. ^^ 항상 느끼는 것이지만 천문학자들, 물리학자들이 끊임없이 의문점을 제기하고 그 의문점을 해결해 나가면서 끝없이 발전하고 있는 것 같습니다. 우리도 어떤 문제에 부딪힐 때 너무 낙담하기 보다 해결하기 위해 노력한다면 그 전보다 더 발전하는 계기가 되지 않을까요? 다음엔 대폭발 이론에 관한 포스팅을 해 보도록 하겠습니다. 좋은 하루 되세요.

 

 

 

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