원자핵을 만드는 양자와 중성자를 구성하는 소립자의 세계

 

 

원자핵을 만드는 양자와 중성자를 구성하는 소립자의 세계

‘물질은 과연 어디까지 쪼갤 수 있을까?’라는 의문에서 출발해 물질의 구조를 탐구한 과정을 전편에서 언급했습니다. 一般的으로 物質의 根本은 原子인데, 原子가 原子核과 電子로 構成되어 있으며, 原子核은 다시 陽性子와 中性子로 이루어졌다는 事實을 현대과학은 입증하고 있습니다. 이러한 物質의 階層的 構造가 계속 發見됨에 따라 과학자들은 物質의 基本 粒子가 무엇이냐는 질문에 대한 답을 검증해 왔습니다. 그리고 이러한 과정을 통해 물질의

근원을 밝히는 표준 모형의 基本 粒子를 다음과 같이 설명하고 있습니다.

 ▲ 입자 물리학 표준 모형의 기본 입자 구성도

1968년에 스탠퍼드 線形 加速機 硏究所(SLAC)에서 陽性子 구조를 알아보는 실험에 착수하여 양성자 역시 내부

구조로 되어 있다는 것을 발견했습니다. 미국의 머레이 겔만(Murrey Gell-Mann)은 양성자를 비롯해서 실험실에서 발견된 수많은 입자들의 근본이 되는 입자를 쿼크라 명명했습니다.

 

현대 과학자들은 원자보다 작은 물질계를 구성하는 데는 6가지 쿼크와 6가지 렙톤(경입자), 즉 총 12개의 입자가 있다고 설명하고 있으며 이들을 페르미 입자(Fermions)라고 통칭합니다. 쿼크는 렙톤과 함께 物質을 구성하는 가장 작은 입자이며, 원자핵 안에 있는 양성자와 중성자를 구성하고 있다고 여겨지는 기본 입자입니다.

 

이 쿼크는 업쿼크, 다운쿼크, 스트레인지쿼크, 참쿼크, 탑쿼크, 바텀쿼크 모두 6가지 종류로 나누어지며

그중에 업퀴크와 다운퀴크가 양성자와 중성자를 구성한다고 알려졌습니다.

 

렙톤 또한 물질의 가장 기본적인 구성요소인데요. 대표적인 렙톤으로는 1897년에 J.J.Thomson이 발견한 電子를 포함하여 뮤온, 타우온이 있습니다. 이 3가지 렙톤은 매우 가벼운 것이 특징입니다. 또한, 電氣電荷가 없는 粒子가 있는데 이를 中性微子(뉴트리노)라 하며 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우온 중성미자 이렇게 총 6가지가 있습니다.

 

그러나 이런 입자들을 묶어두기 위한 다른 무언가가 필요한데요. 그것은 힘을 傳達하는 媒介 粒子로 自然界를 포함한 물질을 구성하게 하는 基本的인 힘 4개가 있으며 이들을 통칭하여 보스입자(Bosons)라 합니다. 대표적인 예로는 우리가 가장 잘 아는 重力이 있습니다. 이 밖에도 자석과 같이 전하가 있는 물체에서 볼 수 있는 電磁氣力과 원자핵의 양성자와 중성자를 묶어두는 核力이 있는데요. 이 핵력은 强한 핵력과 弱한 핵력으로 구분됩니다. 과학적으로 증명된 힘의 세기는 강한핵력> 전자기력> 약한핵력> 중력 순으로 重力이 가장 弱한 힘입니다.

 

이렇게 해서 모두 12개의 기본입자와 4개의 매개체를 이용해 物質이 構成됩니다. 즉 모든 物質은 페르미입자와 보스입자 결합을 통해 물질이 구성된다고 현대과학은 설명하고 있습니다. 그런데 과학자들의 연구에 의하면 이 이론은 다 맞아 떨어지는데 모든 입자의 질량이 ‘0’이라는 점에 고민이 있었습니다.

모든 物體와 物質에는 極微量이라 하더라도 自體의 質量을 가지고 있어야 한다는 것이 物理學의 理論입니다. 이 때문에 과학계에는 이 假說을 받아들이지 않는 사람들도 있었습니다. 그런데 바로 이를 解決한 사람이 바로 영국의 이론 물리학자 피터 힉스입니다. 힉스는 기존의 16가지 기본입자가 구성하는 물질에 질량을 부여하는 입자 즉 힉스 입자의 가설을 세웠습니다. 이 입자는 물질을 구성하는 입자가 아니고 質量을 부여하는 입자이기 때문에 神의 粒子라고도 불립니다.

 

▲ 힉스 입자 실험을 위해 사용된 유럽입자물리연구소(CERN)의 강입자가속기(LHC) 

(출처 : 유럽입자물리연구소(CERN))

 

 

현대 과학은 모든 물질을 구성하는 기본적 입자로 앞서 언급한 바와 같이 힉스 입자를 포함하여 17가지를 제시하고 있습니다. 오늘날 우리 과학은 아직 쿼크를 쪼개볼 수 없습니다. 그러나 과학은 계속 발전하고 이를 뛰어넘을 수 있을 것으로 생각합니다. 이제까지 그래 왔듯이 과학의 발전이 어디까지 나아갈지는 아무도 모르기 때문입니다.