입자에 갇힌 괴상한 유령

세 개의 쿼크 - 강력의 본질, 양자색역학은 어떻게 태어났는가
김현철 지음 / 계단 / 2024년 10월

평점

4점  ★★★★  A-

괴상한 유령이 우리 주변을 돌아다니고 있다. 쿼크(quark)라는 유령이. 전 세계의 물리학자들, 세계에서 가장 거대한 가속기 LHC(거대 강입자 충돌기)와 검출기가 이 유령의 정체를 밝혀내기 위해 신성한 과학 동맹을 맺었다.[주1] 괴상한 유령을 처음으로 언급한 물리학자는 머리 겔만(Murray Gell-Mann)이다. 그는 강입자(hadron) 속에 ‘괴상한 작은 입자’가 세 개나 있다고 가정했으며 ‘쿼크’라는 특이한 이름을 붙였다. 물리학자들은 당혹스러웠다. “원자보다 훨씬 작은 입자를 어떻게 찾는담?”

원자(atomos)는 더 이상 쪼갤 수 없다는 뜻이 담긴 입자다. 과거에 원자가 만물의 기본 입자로 여겨졌다. 그런데 원자는 쪼개질 수 있다! 원자를 쪼개면 원자보다 더 작은 입자들이 나온다. 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자, 원자핵 주위를 도는 전자가 있다. 물리학자들은 이 세 개의 입자가 모든 물질의 기원이라고 생각했다. 폴 디랙(Paul Dirac)은 한 시간마다 말 한마디 할 정도로 과묵하기로 유명한 물리학자다. 그런 그가 동료 학자들 앞에서 꾹 닫고 있던 입을 열었다. 디랙은 아직 발견되지 않은 입자가 있을 거라고 예언했다. 그 입자는 훗날 전자의 반입자(antiparticle)인 양전자로 밝혀진다. 모든 입자는 반입자를 가지고 있다. 반입자는 전하(물체가 띠고 있는 정전기의 양)를 제외한 모든 입자의 성질을 닮았다. 

계속해서 새로운 입자들이 하나둘씩 발견되었다. 혼돈에 빠진 물리학자들은 기본 입자가 애초에 존재하지 않았다고 믿는 지경에 이르렀다. 쿼크가 존재할 수 있다고 주장한 겔만도 스스로 확신을 가지지 못했다. 겔만은 청중들 앞에서 쿼크를 언급할 때마다 자신이 ‘미친 이야기’를 하고 있다면서 운을 떼었다. 하지만 기본 입자를 찾는 일에 미친 젊은 물리학자들은 가속기와 검출기를 작동시켜서 괴상한 유령의 정체를 밝히기 시작했다.

《세 개의 쿼크》는 쿼크를 찾는 과학 동맹군의 실험 방식을 되짚어보고, 입자물리학에서 가장 중요한 실험 장치인 가속기가 어떻게 변화하면서 작동됐는지 보여준다. 이 책은 2021년에 나온 《강력의 탄생》의 후속작이다. 강력(strong force)은 양성자와 중성자를 결합하게 만드는 힘이다. 《강력의 탄생》은 철학자들의 머릿속에서 돌아다니던 관념적인 물질로만 알려진 원자가 과학적으로 입증되는 과정부터 시작해서 강력이 본격적으로 주목받는 시점까지 다루고 있다.[주2]

입자는 크기가 아주 작을 뿐만 아니라 마치 유령처럼 눈 깜짝할 사이에 나타났다가 사라진다. 이런 입자를 공명 입자(resonance particle)라고 한다. 가속기는 입자들끼리 서로 충돌시켜서 나온 물질들을 분석하는 장치다. LHC가 설계되기 이전에 거품상자와 사이클로트론(cyclotron)이 과학 동맹군의 든든한 무기가 되어주었다.

우리는 왜 쿼크를 볼 수 없을까? 두 개의 쿼크가 서로 가까워질수록 힘은 약해지고 결합력은 낮아진다. 이러한 현상을 ‘점근적 자유성’이라고 한다. 반대로 두 개의 쿼크가 멀어지면 힘은 커진다. 쿼크는 혼자 돌아다니지 않는다. 항상 두 개 이상의 쿼크가 합친 상태로 돌아다닌다. 쿼크는 강입자 속에서 자유롭게 이동하지만, 강입자 밖으로 절대로 나갈 수 없다. 왜냐하면 두 개 이상의 쿼크를 합치게 만드는 힘이 매우 강하기 때문이다. 쿼크와 강입자가 한 몸이 되다시피 하는 관계를 ‘쿼크 가둠(quark confinement)’이라고 한다. 쿼크는 강입자라는 아주 작은 감옥에 영원히 갇힌 유령이다. 그래서 쿼크를 볼 수 없다.

쿼크는 물리학자를 웃고 울렸다. 겔만은 발견되지도 않은 쿼크를 이야기할 때마다 쓴웃음을 지었다. 쿼크가 있다고 믿은 젊은 물리학자들은 입자의 정체가 하나씩 밝혀질 때마다 기쁨의 웃음을 지으면서도 속으로는 울었다. 크기가 엄청 작은데다가 분해되면 금방 사라지는 입자들을 검출하려면 성능이 향상된 가속기와 검출기를 설치해야 한다. 그러려면 많은 예산을 확보해야 한다. 과학 동맹군이 풀어야 할 과제들은 여전히 많다. 물리학자들은 강력을 설명하기 위해 세 개의 쿼크가 각각 빨간색, 초록색, 파란색을 띠고 있다고 가정한다. 여기서 탄생한 학문이 양자색역학이다. 지금까지 과학 동맹군은 겔만이 예측한 세 개의 쿼크를 포함해서 총 6개의 쿼크를 발견했다. 쿼크를 이해하는 일은 만물의 근원을 이해하는 과정이다.

[주1] 마르크스(Karl Marx)와 엥겔스(Friedrich Engels)의 《공산당 선언》의 첫 문장을 패러디했다. 번역본마다 문장이 조금씩 차이가 있는데, 내가 참고한 《공산당 선언》은 펭귄클래식 판본(권화현 옮김, 펭귄클래식코리아, 2010년, 절판)이다. 이 책은 이렇게 시작한다.

* 227쪽

 하나의 유령이 유럽을 배회하고 있다. 공산주의라는 유령이. 구 유럽의 모든 세력들, 교황과 차르, 메테르니히(Metternich)와 기조(François Guizot), 프랑스의 급진파와 독일의 경찰 밀정이 이 유령을 쫓아내기 위해 신성한 동맹을 맺었다.

[주2] 책을 좀 더 자세하게 알고 싶은 독자는 내가 쓴 《강력의 탄생》 서평을 참고하면 된다. [원자핵 속에 있는 힘을 밝혀낸 과학자들의 여정] (2021년 7월 19일 작성)

https://blog.aladin.co.kr/haesung/12790459

<정오표>

* 371쪽

 그러니까 쿼크 두 개가 아주 가까워지면, 서로의 존재를 점점 더 희미하게 느낀다는 말이다. 이것을 ‘점근적 자유성’라고[주3] 한다.

[주3] ‘점근적 자유성’라고 → ‘점근적 자유성’이라고