쿼크(quark)

고교생이 알아야 할 물리 스페셜

쿼크

(quark )

물질의 구성요소인 원자는 원자핵과 그 둘레의 전자(電子)로 이루어져 있으며, 원자핵은 양성자와 중성자(둘을 합쳐 핵자〈核子〉라 총칭한다)로 이루어져 있다.

양성자와 중성자 및 그것들 사이에 교환되는 π 중간자 등은 소립자(素粒子)라 불리는데, 종래에는 그 이상 분할할 수 없는 궁극의 입자라 생각되어 왔다.

그런데 새로운 소립자가 잇따라 발견되어 그 수가 증가함에 따라, M. 겔만과 G. 츠바이크는 이들 입자도 복합체이며, 더욱 작은 쿼크라 불리는 초소립자(超素粒子)로 구성되어 있다는 설 (쿼크설)을 제창했다.

쿼크 그 자체가 발견된 것은 아니지만 가속기(加速器)를 사용한 실험결과가 쿼크설을 뒷받침하고 있어, 현재 쿼크의 존재는 확실한 것으로 간주된다.

종래에 궁극의 입자로 생각되었던 핵자가 점 모양의 입자가 아니고 구조를 가진다는 것(즉, 복합체라는 것)은 다음과 같은 경위로 밝혀졌다.

전자를 양성자로 산란(散亂)시켜 보면 양성자가 이루는 전기장은 점전하(點電荷)의 그것과 달리, 양성자의 전하가 퍼져 분포되어 있다는 것을 알 수 있다.

양성자나 중성자도 디랙의 이론으로부터 예상되는 것과 다른 이상자기(異常磁氣) 모멘트를 가지며, 이것도 퍼진 영역에 분포되어 있다.

또한 핵자는 회전들뜬상태〔回轉勵起狀態〕를 가지며, 관성(慣性) 모멘트가 유한(有限)이므로 질량도 유한한 영역에 분포해 있어야 한다.

그 구조를 알아보기 위해 고(高) 에너지의 전자나 중성미자(中性微子)를 충돌시켜 보면, 핵자가 더욱 작은 입자로 이루어져 있다는 것을 알게 된다.

이것이 쿼크이다.

튀어나온 쿼크는 즉각 몇 개의 중간자로 전화해 제트라 불리는 입자의 묶음으로서 관측된다.

〔쿼크의 종류〕 쿼크에는 5종류가 있다는 것이 밝혀져 있다.

쿼크 중에서 가장 가벼운 것은 u와 d로 불리는데, 양성자는 uud, 중성자는 udd라는 구성이며, π 중간자는 u (-는 반입자〈反粒子〉를 나타낸다), π 중간자는 uu와 d가 섞인 것이다.

양성자의 전하가 전기소량(電氣素量) e를 단위로 해 1, 중성자는 0이므로, u쿼크의 전하는 2/3, d쿼크의 전하는 -1/3이다.

다만 이와 같은 전하를 검출하는 시도는 모두 실패했다.

쿼크는 즉각 중간자 등으로 바뀌어 단독 입자로는 존속하지 않는다고 생각된다. 즉, 쿼크는 소립자의 내부에는 존재하지만 밖으로는 나오지 않는다.

이것을 쿼크의 「국한」이라 한다. U, d 외에 조금 무거운 s쿼크가 있는데, 그 전하는 -1/3이다.

u, d, s 의 3종과 그 반입 자 u, , 로 중간자를 만들면 9종류가 되는데, 실제로 π중간자의 종류가 9종 존재한다.

또 반입자를 포함해 3종의 쿼크에서 3개를 선택하면 10가지의 조합이 가능한데, 실제로 핵자의 종류로서 10종의 무리가 발견되어 있다.

1974년에 전하 2/3인 c쿼크의 존재가 입증되었으며, 그 후 전하 1/3인 b쿼크의 존재도 밝혀졌다.

이론의 정합성(整合性)에서 그 존재가 예상되고 있던 더욱 무거운 전하 2/3인 t쿼크도, 84년 그에 가까운 것이 발견된 데 이어 95년 그 존재를 확인했다는 보고가 제출되었다.

b쿼크의 질량은 양성자 질량의 약 5배, C쿼크의 질량은 약 1.5배, S쿼크의 질량은 약 1/3, U쿼크 및 d쿼크의 질량은 거의 0이다.

쿼크에는 각각 3종의 서로 다른 것이 있는데, 빨간색 · 파란색 · 초록색의 이름을 붙여 구별한다.

즉, U쿼크에는 빨간 u쿼크, 파란 u쿼크, 초록 u쿼크가 있고, 다른 것도 마찬가지이다.

이것을 컬러 자유도(自由度)라 한다.

색의 차이를 실험적으로 식별할 수 있는 것은 아니지만, 자연계에 존재하는 소립자는 모두 무색의 조합(예컨대 빨강, 파랑, 초록 1개씩, 또는 빨강과 반〈反〉빨강)이라는 원리가 성립한다.

쿼크라는 이름은 켈만이 J. 조이스의 소설《Finnegans Wake》속의 한 구절인「Three quarks for Muster Mark」에서 딴 것으로 알려져 있다.

출처 :http://www.scienceall.com/dictionary/dictionary.sca?todo=scienceTermsView&classid=&articleid=255714&bbsid=619&popissue=

신나는 쿼크 사냥

1963년 어느 날 겔만¹⁾은 만일 하드론들이 자신이 ‘쿼크(quark)’라고 이름 붙인 더 기본적인 입자들로부터 만들어졌다고 가정하면 팔정도를 만족스럽게 설명할 수 있다고 제안하였다. 쿼크는 독일말로 치즈의 일종이라고 한다. 그때까지 발견된 하드론들은 전하량이 3등분될 수 있는 쿼크인 세 개의 쿼크를 조합하여 만들 수 있다. 즉 양성자는 전하량이 2/3인 ‘위(up) 쿼크’ 두 개와 전하량이 -1/3인 ‘아래(down) 쿼크’가 한 자루에 담겨 있다고 생각하면 전하량이 1이 되고, 중성자는 전하량이 위 쿼크 한 개와 아래 쿼크 두 개가 담긴 자루로 생각하면 중성이 된다. 그 밖의 쿼크로는 기묘한(strange) 쿼크인데 이 세 가지 쿼크와 반(反) 쿼크를 가지고 이제까지의 모든 하드론들을 조합할 수 있다.

이론 물리학자들이 존재한다고 믿는 쿼크들의 6가지 향(그중 5개가 발견되었다) 위(up), 아래(down), 기묘한(strange), 매력적인(charm), 밑바닥(bottom), 꼭대기(top)라고 불리운다. 쿼크들은 따로 자유 상태의 입자로 검출된 적이 없으며 오직 관측된 하드론의 내부에서 결합된 상태로만 발견되었다.

그러나 성능 좋은 가속기가 가동되자 그 3개의 쿼크를 가지고도 조합이 되지 않는 하드론이 발견되었다. 따라서 네 번째의 쿼크를 도입하게 되었고 ‘매력적인(charmed) 쿼크’라고 이름을 붙였다. 후에 발견된 하드론들도 그 네 가지의 조합으로 잘 설명이 되었으므로 쿼크 모형은 확고한 기반을 가지게 되었다. 그렇다면 ‘또 다른 쿼크는 없는가?’ 하는 물음이 자연스럽게 나올 수 있다. 실제로 대규모 쿼크 찾기가 계속되고 있으며 지금도 끝나지 않고 있다. 그 결과 다섯 번째 쿼크의 필요성을 요구하는 하드론이 발견되었고, 즉각 ‘바닥(bottom) 쿼크’라고 이름지었다.

아직 발견되지는 않았지만 물리학자들은 더 큰 질량을 갖는 ‘꼭대기(top) 쿼크’가 있을 것으로 믿고 있다. 그 믿음의 확고함은 이름을 미리 지은 것으로 짐작할 수 있다. ‘이 6가지의 쿼크들로 모든 하드론들을 설명할 수 있을 것인가?’ 하는 물음에 누구도 ‘그렇다.’고 대답할 수는 없을 것이다. 그러나 쿼크가 모여서 하드론이 된다는 것만은 이론(異論)이 없다. 쿼크의 수가 많아지면 ‘그 쿼크도 더 기본적인 입자의 조합으로 만들어질 수 있지 않을까?’ 하는 자연스런 의문이 생긴다. 그러나 쿼크는 더 이상 하드론 자루 밖으로 모습을 드러내지 않는다. 하드론을 자르면 자루 내부에서 다른 쿼크를 만들어 여분의 하드론을 창조하므로 이른바 구두끈 가설이 적용될 것이다. 그러므로 쿼크보다 더 기본적인 입자의 도입은 필요 없을 것이라는 것이 대부분 물리학자들의 견해이다.

생각할 문제

다음에 3가지 핵 반응이 제시되어 있다. X로 표시한 것이 중성자인 것을 모두 골라라.
①
②
③

정답 : ②, ③

해설
각각의 핵반응에서 원소 기호의 위쪽에 있는 큰 수가 질량수이고 아래에 있는 작은 수가 원자 번호인데 반응 전과 후에 그 숫자들이 보존되어야 한다. 왜냐하면 원자 번호는 양성자의 수를 나타내고, 질량수는 양성자수에 중성자수를 더한 것을 나타내는데, 핵반응에서 각각의 입자들이 없어지거나 새로 생기지 않기 때문이다.

①에서 좌변의 질량수는 14+4=18이므로 우변의 질량수도 18이 되기 위해 X의 질량수가 1이 되어야 한다. 또 좌변의 원자 번호는 7+2=9이므로 우변의 원자 번호도 9가 되려면 X의 원자 번호는 1이 되어야 한다. 따라서 질량수 1, 원자 번호 1인 입자인 양성자이다.

②에서 좌변의 질량수는 27+4=31이므로 우변의 질량수도 31이 되기 위해 X의 질량수가 1이 된다. 좌변의 원자 번호는 13+2=15이므로 우변의 원자 번호도 15가 되려면 X의 원자 번호는 0이다. 따라서 질량수 1, 원자 번호 0인 입자인데 이는 중성자이다.

각주

1. 1) 겔만(Murray Gell-Mann)
   미국의 물리학자. 소립자론을 연구하고 대칭성 원리에 입각하여 소립자를 분류하였으며, 크사이입자 발견의 바탕을 만들었다. 또 소립자를 설명하는 팔도설과 기본 입자인 쿼크 이론을 제창하였다. 1969년 노벨 물리학상을 수상하였다.

출처 :고교생이 알아야 할 물리 스페셜, 신근섭·이희성, 2002.3.5, (주)신원문화사