쿼크Quark와 강력Strong Force
양성자proton(수소원자의 원자핵이며 다른 원자의 원자핵의 구성성분으로 양의 전하를 가지고 있다)의 구성요소는 강력으로 한데 묶여 있으며 보통의 방법으로는 이것을 서로 뗄 수 없다. 강력은 양자색역학quantum chromodynamics(QCD)이라는 이론으로 기술된다. 강력은 게이지보존 교환으로 설명 가능한 표준모형의 마지막 힘으로 20세기가 되어서야 발견되었다. 강력을 전달하는 강력게이지보존은 글루온gluon(접착자라고도 한다)이라고 부르는데, 이 입자들이 강력으로 상호작용하는 입자들을 강력하게 한데 묶는, 즉 ‘서로 접착시키는’(glue는 접착이란 뜻이다) 힘을 전달한다.
1950년대와 1960년대에 물리학자들은 수많은 입자들을 발견했고, 그것들은 파이온π, 에타ϴ, 델타Δ와 같은 다양한 그리스 문자로 명명되었다. 이 입자들은 모두 강입자 혹은 하드론hadron인데, 그리스어로 ‘살찌고 무거운’을 뜻하는 하드로스hadros에서 유래했다. 하드론들은 전자보다 훨씬 무겁다. 이들의 질량은 전자보다 2천 배 무거운 양성자와 거의 비슷하다. 미국의 물리학자 머레이 겔만Murray Gell-Mann(1929~)은 1960년대에 많은 하드론들은 기본입자가 아니며 그 대신 그가 쿼크quark라고 명명한 입자들이 한데 모인 입자라는 이론을 제안했다. 겔만은 세 종류의 쿼크(업쿼크, 다운쿼크, 스트레인지쿼크)가 있고, 수많은 하드론들은 이 쿼크들을 조합하면 만들 수 있다고 제안했다. (현재 6개가 밝혀졌다.) 쿼크가설로 겔만은 1969년 노벨 물리학상을 수상했다.
쿼크는 세 종류로 분류된다. 물리학자들은 세 가지 색 이름, 종종 빨강･초록･파랑을 붙였다. 색을 갖는 쿼크는 반쿼크와 결합해 색이 중성이 되는 색-중성조합color-nuetral combination을 이룬다. 이 조합은 여러 가지 색이 모이면 서로 상쇄되어 백색광이 되는 것처럼 쿼크와 반쿼크의 강력전하strong force charge가 상쇄되는 조합이다. 이것이 양자색역학이란 명칭의 기원이다. 색-중성조합에는 두 가지 유형이 있다. 안정적인 강입자는 쿼크와 반쿼크의 조합으로 구성되거나 서로 결합된 세 개의 쿼크로 구성된다. 예를 들어 파이온(파이 중간자)에는 쿼크와 반쿼크가 한 개씩 짝을 이루고 있으며, 양성자와 중성자는 세 개의 쿼크가 한데 묶여있다. 하드론 내부에서 쿼크들의 강력전하는 서로 상쇄되어 사라지는데, 이는 원자 내부에서 양성자의 양전하와 전자의 음전하가 상쇄되는 것과 마찬가지다. 그러나 원자가 쉽게 이온화되는 데 반해 양성자나 중성자가 깨지기는 무척 어렵다. 이 입자들은 강력을 전달하는 글루온에 의해 강하게 묶여있기 때문이다.
양성자와 중성자는 쿼크 세 개의 조합으로 이루어지며 강력전하는 서로 상쇄된다. 양성자는 두 개의 업쿼크와 한 개의 다운쿼크로 이루어진다. 서로 다른 유형의 쿼크는 서로 다른 전기전하를 갖는다. 업쿼크의 전기전하가 +2/3이고 다운쿼크의 전기전하가 -1/3이므로 양성자의 전기전하는 +1이다. 반면 중성자는 1개의 업쿼크와 두 개의 다운쿼크를 가지기 때문에(-1/3−1/3+2/3=0) 전기전하가 없다. 쿼크는 양성자나 중성자 안에 파묻혀있다. 쿼크의 존재는 스탠퍼드 선형가속기연구소Stanford Linear Accelerator Center(SLAC)에서 이루어진 프리먼드-켄들-테일러의 심층비탄성산란deep inelastic scattering 실험을 통해 전자가 양성자와 충돌하고 어떻게 산란하는지를 명확히 보여줌으로써 입증되었다. 이 발견으로 제롬 프리드먼Jerome Friedman(1930~)과 헨리 켄들Henry Kendall(1926~99) 그리고 리처드 테일러Richard Taylor(1929~)가 1990년 노벨 물리학상을 수상했다.
고에너지충돌에서 쿼크가 만들어질 때 그것들은 아직 하드론으로 결합되지 않은 생태이지만 그렇다고 따로 분리된 상태로 있는 것도 아니다. 쿼크는 항상 다른 쿼크나 글루온과 함께 있으며 이런 조합은 강력 하에서 전체 전하를 중성으로 만든다. 쿼크는 결코 혼자 자유롭게 나타나지 않고 강한 상호작용을 하는 여러 입자에 둘러싸여 있다. 입자실험은 홀로 고립된 쿼크가 아니라 한 방향으로 움직이는 쿼크와 글루온으로 구성된 입자 무리를 기록하는 것이다. 한 방향으로 움직이는 쿼크와 글루온으로 이루어진 입자 덩어리를 제트jet라고 부른다. 각 제트는 결코 쿼크나 글루온으로 따로 떨어지거나 분리되지 않는다.