공명 입자
우주선에서 발견된 입자는 대부분 오래 산다. 물론 오래 산다는 말도 상대적이다. 실험물리학자들은 어떤 입자가 10^-8초에서 10^-10초 정도 살다 가면, 그 입자는 수명이 길다고 하고, 심지어 안정된 입자라고 부르기도 한다. 우주선에서 발견된 케이온이나 람다, 시그마, 크시 하이퍼론은 모두 이 정도로 오래 산다. 수명이 긴 입자는 모두 약력에 의해 붕괴한다. 그러니까 힘의 세기가 약할수록 입자의 붕괴는 천천히 일어난다. 이런 입자들은 가늘고 길게 산다. 전자기력은 약력보다는 강하지만 강력과 비교하면 훨씬 약하다. 전하가 없는 시그마는 전자기력에 의해 람다와 광자로 붕괴하는데, 대략 10^-20초 정도 산다. 전자기력에 의해 붕괴하는 입자들의 수명은 10^-15초에서 10^-20초 정도다.
그런데 어떤 입자들은 정말이지 눈 깜짝할 사이에 나타났다가 사라진다. 그런 입자를 통칭해서 공명 입자(reonaince particle)라고 부른 다. 이런 입자는 대략 10^-23초 동안 존재한다. 이 시간이 얼마나 짧은 시간인지 한번 비유로 느껴보자, 우주의 나이는 대략 138억 년으로 알려져 있다. 우주의 나이를 1년이라고 하면, 백 년을 사는 인간은 0.2초 정도 살다 가는 찰나의 존재다. 케이온의 수명을 1년이라고 하면, 공명 입자는 1억 분의 1초 남짓 존재한다. 공명 입자와 비교하면 케이온 같은 낯선 입자는 그야말로 영겁의 시간을 사는 셈 이다.
공명 입자는 양자역학에서 나오는 공명 현상과 다를 바가 없다. 어떤 원자에 파장이 짧은 빛을 쪼여주면 원자는 들뜬 상태가 된다. 그러니까 바닥 상태에 있던 전자가 광자가 전해 주는 에너지를 받아 들뜬 상태로 양자 도약을 한 것이다. 들뜬 상태로 올라간 전자는 아주 잠깐 그곳에 머물다가 광자를 내놓으며 다시 바닥 상태로 내려온다. 이때 원자에서 나오는 광자의 에너지는 수 전자볼트밖에 되지 않는다. 원자핵도 마찬가지다. 감마선을 쪼여주면 들뜬 원자핵이 되었다가 감마선을 내놓으며 다시 바닥 상태로 내려온다. 이 때 나오는 감마선의 에너지는 수백만 전자볼트다. 공명 입자도 비슷하다. 양성자가 파이온이나 광자와 충돌하면 들뜬 양성자가 되거나 아니면 새로운 중입자가 되었다가 다시 양성자로 돌아온다. 그런데 원자나 원자핵과 달리 들뜬 상태의 양성자나 새로 생긴 공명 입자는 에너지가 매우 높아서 바닥 상태의 양성자로 내려오면서 중간자를 내놓거나 수억 전자볼트의 광자를 방출한다. 게다가 공명 입자는 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 에너지와 질량이 서로 같다는 사실과도 관련이 있다. 공명 입자의 질량은 양성자에 가해진 수억 전자볼트의 에너지와 양성자의 질량을 합한 것과 같다. 그래서 공명 입자는 에너지와 질량이 서로 다르지 않다는 것을 증명해 주는 입자이기도 하다.
공명 입자의 흔적은 우주선 연구가 한창이던 1940년대 초부터 어렴풋이 알려져 있었다. 볼프강 파울리와 시드니 댄코프(Sidney M. Dancoff)는 이미 1942년에 파이온과 핵자가 충돌하면 공명 입자가 생길지도 모른다고 예언했다. 파이온이 발견되기 전인 1946년에 파울리는 《핵력의 중간자 이론》이라는 책을 썼다. 여기서 파울리는 파이온과 양성자가 결합하면 스핀이 3/2인 새로운 입자가 생긴다고 주장했다. 역사상 처음으로 스핀이 3/2인 입자를 언급한 것이었다. (185~187 페이지)
핵자로 통칭하는 양성자와 중성자는 전하 외에는 같은 입자라 해도 무방했다. 아이소스핀 대칭성 아래 양성자와 중성자는 한 형제였다. 양과 밀스는 아이소스핀 대칭성을 게이지 대칭성의 하나로 간주했다. 게이지라는 말은 1929년에 수학자 헤르만 바일(Hermann Weyl)이 전자기력과 중력을 합쳐 보려고 전개한 이론에서 나온 말이다. 어떤 물체의 길이를 잴 때, 센티미터 자를 쓰든 인치 자를 쓰든 물체의 길이는 변하지 않는다. 게이지 대칭성이란 자를 바꿔 재더라도 성질은 변하지 않는다는 의미다. 양자전기역학은 게이지 대칭성을 만족하는 이론 중에서 가장 단순하다. 게이지를 변환해도 전하는 변하지 않는다. 그래서 양자전기역학은 게이지 불변이라고 말한다. 게이지 불변이면 입자들 사이에 힘을 매개하는 게이지 입자가 반드시 존재한다. 양자전기역학에서는 광자가 전하를 띤 입자들 사이에 힘을 매개하는 게이지 보손(gauge boson)이다. (328~329 페이지)
