ㅎ0. 목차
- 물질을 구성하는 가장 기본적인 요소
- 소립자를 찾아서
- 쿼크와 렙톤
- 쿼크와 힘
- 소립자의 질량
- CP 대칭성의 파괴
- 미지의 소립자들
1. 물질을 구성하는 가장 기본적인 요소
우리가 사는 이 세상을 구성하는 물질을 점점 잘게 잘게 나누어가면 어떻게 될까? 인류는 아주 오래전부터 이런 의문을 품어왔다. 고대 그리스 시대에는 물질이 '물', '불', '흙', '공기'로 되어 있다는 설과, 더 이상 분해할 수 없는 '원자(atom)'으로 되어있다는 설이 있었다.
물질이 무엇으로 되어있는지에 대해 과학적으로 검토하기 시작한 것을 19세기에 들어와서다. 화학자들은 고대 그리스의 사고방식을 되살려, 모든 물질은 많은 원소의 조합으로 생긴다는 사실을 알게 되었고, 마침내 분자와 원자의 화학 반응을 이해하게 되었다. 19세기 말에는, 음전하를 가지고 있는 '전자(Electron)'가 원자 속에서 발견되었다. 20세기 초에는 원자의 중심에 '원자핵(atomic nucleus)'이 있다는 사실과, 그 둘레는 전자가 돌고 있다는 사실이 알려졌다. 그 후 원자핵은 다시 '양성자'와 '중성자'가 결합한 것임이 알려졌다.
이때까지만 해도 전자(Electron), 양성자(Proton), 중성자(Neutron)가 '소립자(더 이상 분할할 수 없다고 생각되는 궁극적으로 작은 입자)'라고 생각했다. 하지만 이후 양성자, 중성자는 '쿼크(Quark)'라고 불리는 더 작은 입자로 되어 있음이 밝혀졌다. 현재에는 6종의 '쿼크'와 6종의 '렙톤(Lepton)'이라고 불리는 입자가 물질을 만드는 가장 기본적인 '소립자'라고 생각하고 있다.
2. 소립자를 찾아서
2-1. 1911년 - 원자핵의 발견
20세기가 되기 전에는 가장 기본적인 '소립자'는 '원자(atom)'라고 생각되었다. 하지만 1911년 영국의 물리학자 '어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)'가 원자 속에 '원자핵'이 있음을 실험으로 발견하였다.
러더퍼드는 1899년 '우라늄(U, 원자 번호 92번)'에서 나오는 방사선이 두 종류 있는 것을 발견하고, '알파선(α-ray)', '베타선(β-rays)'이라고 명명하였다. 그는 알파선의 정체를 방사성 물질에서 나오는 입자(알파 입자)라고 생각했다. 러더퍼드는 '알파 입자(α- particle)'가 물질과 어떻게 작용하는지를 조사해 나가던 도중, 금의 박막에 '알파 입자'를 부딪치게 하는 실험을 진행했다. 실험 결과, 대부분의 알파 입자는 금의 박막을 그대로 지나갔지만, 앞쪽으로 튕겨 나오는 극히 일부의 알파 입자도 존재했다.
이 실험 결과를 두고, 러더퍼드는 다음과 같이 생각했다. 많은 알파 입자가 그대로 지나간 이유에 대해서는, 금의 박막을 이루고 있는 금의 원자끼리의 결합은 '알파 입자'가 쉽게 빠져나갈 정도로 큰 '틈'이 있을 것이라고 생각했다. 그러면 일부의 '알파 입자'가 튕겨 나오는 이유는 무엇일까? 러더퍼드는 금의 원자 속에 원자 크기보다 훨씬 작고, 알파 입자보다 무거운 무언가(원자핵)가 있을지 모른다고 생각했다. 만약 이 생각이 맞다면, 알파 입자가 간혹 그것에 부딪쳐 튕겨 나올 것이다. 이렇게 해서 가장 기본적인 입자라고 생각되었던 원자에 대해, 그 내부에 원자핵이라는 내부 구조가 있다는 생각에 이르렀다.
2-2. 1932년 - 양성자, 중성자의 발견
1932년에는 그 원자핵에 또 다른 내부 구조가 있다는 사실이 밝혀졌다. 1932년 프랑스의 화학자 '졸리오 퀴리(Irène Joliot-Curie, 1897~1956)'는 헬륨 원자에 '알파선'을 부딪치게 하면 정체불명의 방사선이 나온다는 사실을 발견했다. 영국의 물리학자 '제임스 채드윅(Sir James Chadwick, 1891~1974)'은 같은 1932년에 그 방사선의 정체를 찾기 위한 실험을 했다. 그 결과 방사선의 정체가 '중성자'라는 사실을 발견했다.
'제임스 채드윅(Sir James Chadwick)'이 발견한 입자는 질량이 양성자와 거의 같고, 전하는 양(+)도 음(-)도 아닌 전기적으로 중성이었으므로 '중성자(neutron)'라고 불리게 되었다. 채드윅의 발견에 의해, 원자핵은 '양성자(proton)'와 '중성자(neutron)'로 이루어져 있음이 밝혀졌다.
2-2-1. 1935년 - 중간자론
그러면 전하가 양(+)인 '양성자'와 전하를 가지고 있지 않은 '중성자'가 왜 원자핵으로 통합되어 있는 것일까? 양전하를 가진 양성자끼리, 또는 양성자와 중성자가 통합되어 원자핵을 만들려면, 전기의 힘보다 훨씬 강한 힘으로 서로를 끌어당기고 있어야 할 것이다. 그 정체불명의 힘을 '핵력'이라고 불렸다.
일본의 이론물리학자 '유카와 히데키(1907~1981)'는 핵력의 정체를 찾기 위해 연구를 계속했다. 양성자와 중성자가 서로 끌어당기려면 양성자와 중성자 사이에 힘이 전달돼야 한다. '유카와'는 '미지의 입자'가 양성자와 중성자를 들러붙게 하는 '접착제' 역할을 하고 있다고 생각했다. 그리고 유카와는 양성자에서 방출된 입자가 중성자에 흡수되고, 중성자에서 방출된 입자가 양성자에서 흡수되며, 이렇게 입자를 교환함으로써 서로를 끌어당기고 있는 것이 아닐까 생각했다. 유카와는 이 '미지의 입자'를 '중간자'라고 명명했다. '중간자'라는 이름은 질량이 양성자와 전자의 정확히 중간인 대서 유래한 것이다.
'유카와 히데키'의 이러한 생각은 '중간자론'이라는 이름으로 1935년에 논문으로 발표되었지만, 처음에는 크게 관심을 불러일으키지 못했다. 하지만 1947년에 영국의 '프랑크 파월(Frank Powell, 1903~1969)'이 '우주선(Cosmic rays: 외계에서 지구로 와 닿는 광선들)'의 연구를 통해 중간자를 발견하여, '유카와 히데키'의 생각이 옳았음이 실증되었다. '유카와'는 1949년에 일본인으로는 처음으로 '노벨 물리학상'을 받았다.
2-3. 1964년 - 쿼크를 예측하다.
1932년에 채드윅이 중성자를 발견함에 따라, '양성자(Proton)'와 중성자(Neutron), '전자(Electron)'가 가장 기본적인 '소립자'라고 생각하게 되었다. 하지만 이후 물리학자들을 고민하게 하는 문제들이 발생했다. 여러 실험에 의해, 같은 무리의 입자가 계속 발견된 것이다. 1950년대~1960년대에는 실험 장치가 더욱 발전하여, 더욱 많은 ' 양성자나 중성자 무리의 입자'가 발견되었다. 그 수는 소립자라고 하기엔 너무나 많았다. 그래서 많은 양성자와 중성자 무리 입자의 바탕이 되는, 더욱 기본적인 입자가 있지 않을까 생각하게 되었다. 수많은 원자들은 양성자, 중성자, 전자라는 세 가지 입자의 조합으로 설명할 수 있었다. 마찬가지로 양성자와 중성자 무리의 집자를 소수의 좀 더 기본적인 입자의 조합으로 설명할 수는 없을지 고민하게 된 것이다.
그러다가 1964년, 미국의 물리학자 '머리 겔만(Murray Gell Mann, 1929~2019)'과 '조지 츠바이크(George Zwig, 1937)'에 의해 양성자나 중성자가 더욱 기본적인 입자인 '쿼크(Quark)'라는 소립자로 이루어져 있다는 설이 각각 독자적으로 제창되었다. '머리 겔만' 등은 쿼크의 종류가 '업(Up)', '다운(Down)', '스트레인지(Strange)'라 명명된 세 종류라고 생각했다.
3. 쿼크와 렙톤
3-1. 6종의 쿼크
쿼크가 3종류라고 생각하던 시대에, 일본의 물리학자 '고바야시 마코토(1944~)'와 '마스카와 도시히데(1940~)'는 3종의 쿼크가 더 있다는 사실을 이론적으로 예측했다. 쿼크가 6종이라고 가정하면, 'CP 대칭성의 파괴(CP violation)'라는 현상이 잘 설명되었다. (CP 대칭성의 파괴'에 대해서는 뒷부분에서 설명함) 당시 'CP 대칭성의 파괴'는 이미 실험으로 밝혀져 있었으나, 그 현상을 이론적으로 설명할 수 없었는데, 그 문제가 해결된 것이다.
현재는 6종의 '쿼크(Quark)'와 6종의 '렙톤(Lepton)'이 물질을 만드는 가장 기본적인 '소립자'라고 알려져 있다. 양성자는 '업 쿼크(Up quark)' 2개와 '다운 쿼크(Down quark)' 1개로 이루어져 있고, 중성자는 '업 쿼크' 1개와 '다운 쿼크' 1개로 이루어져 있다.
쿼크는 질량의 차이에 따라 세 가지로 분류된다. 이 분류는 '세대(Generation)'라고 불리며, 제1세대, 제2세대, 제3세대가 있다. '업 쿼크(Up quark)'와 '다운 쿼크(Down quark)'는 1세대, '참 쿼크 (Charm quark)'와 '스트레인지 쿼크(Strange quark)'는 2세대, '탑 쿼크(Top quark)'와 '바텀 쿼크(Bottom quark)'는 3세대이다. 렙톤 또한 마찬가지로 세 가지 세대가 있다.
3-2. 쿼크와 렙톤의 전하
전자의 전하는 -1이고, 양성자의 전하는 1이고, 중성자의 전하는 0으로, 쿼크가 제창되기 전에 발견된 입자의 전하는 모두 양성자의 정수 배이다. 왜냐하면 전자가 양성자가 가장 기본적인 '소립자'라고 생각되었기 때문에, 전자와 양성자가 전하의 기준이 되었기 때문이다.
그러면 쿼크의 전하는 얼마일까? 양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개로 이루어져 있고, 중성자는 업 쿼크 1개와 다운 쿼크 2개로 이루어져 있다. 따라서 '업 쿼크'의 전하를 x, '다운 쿼크'의 전하를 y로 두고 다음의 연립 방정식(2x+y=1, x+2y=-1)으로 계산하면, '업 쿼크(Up quark)'의 전하는 +2/3, '다운 쿼크(Down Quark)'의 전하는 -1/3이 나와, 쿼크의 전하는 분수가 된다.
4. 쿼크와 힘
4-1. 4가지 힘
현재 물리학에서는 우주에 '강한 핵력', 약한 핵력', '전자기력, '중력(Gravity)'의 네 가지 힘이 있다고 생각한다. 그리고 각각의 힘은 '힘을 전하는 입자'인 '보손(Boson)'를 주고받음으로써 전달된다고 생각한다.
- 강한 핵력: '강한 핵력'은 양성자나 중성자 안에서 쿼크끼리 서로 연결하는 힘이다. 양성자나 중성자 크기 정도의 매우 짧은 거리에서만 작용한다. 그리고 쿼크끼리의 거리가 멀어질수록 강해지는 성질을 가지고 있다. '글루온(gluon)'이라는 '소립자'를 주고받음으로써 작용한다고 생각된다. (양성자는 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개, 중성자는 업 쿼크 1개와 다운 쿼크 2개로 이루어진다.) 단, 원자핵 내에서 양성자와 중성자를 연결하는 힘도 '강한 핵력'이라고 부른다. 이것은 '파이 중간자(pion)'에 의해 전달된다.
- 약한 핵력: '약한 핵력'은 '중성자'를 '양성자'로 변신시키는 힘을 말한다. 약한 핵력은 'W 입자'나 'Z 입자'에 의해 작용한다고 생각된다. 중성자를 원자핵 밖으로 끄집어내면, 전자와 중성미자가 방출되고 양성자로 바뀌는 '베타 붕괴(β-decay)' 현상이 일어난다. '베타 붕괴'란 원자핵의 중성자가 양성자로 변하면서 '베타 입자(전자)'를 방출하는 방사성 핵붕괴를 말한다.
- 전자기력: '전기력'과 '자기력'을 통일한 것을 '전자기력'이라고 한다. 전자기력을 전하는 소립자는 '광자'(photon)'이며, 그 흐름을 '전자기파'라고 한다. 양성자와 전자 사이 등, 전하를 가진 것 사이에는 '광자(photon)'를 주고받음으로써 힘이 작용한다. 거리의 제곱에 반비례에 약해지지만, 아무리 멀어도 전달된다. 전기와 자기는 19세기에 '제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)'에 의해 같은 이론으로 설명될 수 있음이 밝혀졌다.
- 중력(Gravity): '중력'은 '질량'을 가지 물질끼리 서로 끌어당기는 힘으로, '중력'에 의해 전해진다. 일반 상대성 이론에 의해, 4차원 시공의 휘어짐이 초래하는 힘이라는 것이 밝혀졌다. 중력은 질량을 가진 모든 것에 작용한다. 거리에 제곱에 반비례에서 약해지지만, 아무리 멀어도 중력은 전달된다. '중력'을 전하는 소립자는 '중력자(graviton)'라고 하며, 그 흐름을 '중력파'라고 한다. 네 가지 힘 중 가장 약한 힘이다.
4-2. 인력과 척력 이해하기
그런데 입자를 주고 받는다고해서, 어떻게 인력과 척력이 작용할 수 있을까? 인력과 척력은 다음과 같이 비유하여 이해해 볼 수 있다.
'입자를 주고받아 힘을 전달하는 것'을 미끄러운 얼음판 위에서 2명이 공을 주고받는 상황으로 바꿔 상상해보자. 공을 안쪽 방향으로 던지고 받게 되면 반동에 의해 서로가 멀어질 것이다. 이는 '반발력(척력)'에 비유할 수 있다. 이번에는 '입자를 주고받아 힘을 전달하는 것'을 미끄러운 얼음판 위에서 2명이 부메랑을 주고받는 상황으로 바꿔 상상해보자. 부메랑을 바깥쪽 방향으로 던지고 바깥쪽 방향에서 받게 되면 반동에 의해 서로가 가까워질 것이다. 이는 '인력'에 비유할 수 있다.
4-3. 강한 핵력
양전하와 음전하 사이에 '전자기력'이 작용하듯이, 쿼크 사이에는 '강한 핵력'이 작용한다. 강한 핵력은 전자기력보다 약 100배 정도 강하며, 원자핵에서 양성자나 중성자를 서로 연결하는 힘도 '강한 핵력'이다. 단, 쿼크와 마찬가지로 소립자 무리인 '렙톤'에는 '강한 핵력'이 작용하지 않는다.
쿼크 사이에 작용하는 '강한 핵력'은 '글루온(Gluon)'이라는 입자를 주고받음으로써 작용한다. 쿼크와 글루온의 메커니즘은 '양자색역학(Quantum Chromodynamics)'이라 불리는 이론으로 설명된다. 글루온도 '색'의 성질을 가지고 있으며, 쿼크는 글루온을 방출하거나 흡수함으로써 색이 바뀐다. 쿼크 사이의 '강한 핵력'은 중성자 크기 정도 되는 짧은 거리에서만 작용한다. 그리고 거리가 멀어질수록 강해지는 성질을 가지고 있다. 글루온은 마치 쿼크 사이에 붙은 '고무 끈'처럼 움직이는 입자라고 생각할 수 있다.
4-3-2. '강한 핵력'은 빛의 삼원색에 비유해 설명 가능
전하를 띤 입자 사이에는 전자기력이 작용해, 양과 음으로 서로를 잡아당긴다. 예컨대, 양전하를 가진 양성자와 음전하를 가진 전자가 서로를 끌어당겨 전기적으로 중성인 '수소'가 되어 안정된다. 이와 같은 일들이 양성자나 중간자 속의 쿼크에서도 일어나고 있다고 생각된다. 전자나 양성자가 전하를 가지고 있는데 비해, 쿼크는 '색(Color)'을 가지고 있다. 물론, 색이라고 해서 실제로 쿼크에 색이 들어있는 것이 아니라, 쿼크가 가진 성질을 색의 성질에 비유한 것이다.
양성자는 3개의 쿼크로 되어 있다. 각각의 쿼크가 'Red, 'Blue', 'Green'이라는 성질을 가지고 있다고 하자. 이 세 가지 색이 빛의 삼원색이라고 생각했을 때, 세 가지 색을 더하면 '하얀색'이 된다. 이 '하얀색'의 상태를 안정 상태라고 생각할 수 있다. 양성자와 중성자를 묶어주는 역할을 하고 있는 입자인 '중간자'는 '쿼크'와 '반쿼크(쿼크의 반입자)'의 조합으로 이루어져 있다. 이 경우, '반쿼크(Antiquark)'는, 3원색의 보색인 Yellow, Cyan, Magenta를 가지고 있다고 생각된다. 중간자에서는 예컨대 쿼크가 'red'라면 반쿼크는 'cyan'이다. red와 cyan을 합치면 white가 되는 것처럼, 쿼크와 반쿼크가 모이면 전기적으로 중성이 된다. 전하들이 모여서 전기적으로 중성이 되는 것도 3원색을 섞으면 하얀색이 되는 것에 비유된다.
4-3-3. 쿼크를 단독으로 꺼낼 수 있을까?
'쿼크(Quark)'끼리는 강한 핵력으로 결합되어 있다. 그러면 강한 핵력을 뿌리치고 하나의 쿼크만 따로 꺼낼 수 있을까? 사실 쿼크 하나가 단독으로 관측되지는 않는다. 양성자에 전자를 충돌시키면, 충격을 받은 양자 속의 쿼크끼리는 서로에게 멀어져 간다. 하지만 쿼크 사이의 강한 핵력은 '고무 끈'처럼 작용해 거리가 멀어질수록 강해진다. 물론, 강한 에너지를 주면 '고무 끈'이 끊어지는 경우가 있다. 하지만 그것이 끊어져도, 끊어진 곳에 쿼크나 반쿼크가 순식간에 나타나 중간자 등의 입자가 된다. 때문에 쿼크를 단독으로 꺼낼 수 있는 방법은 없다.
5. 소립자의 질량
5-1. 대칭성의 자발적 파괴
갓 태어난 우주는 매우 뜨거웠고, 모든 소립자가 광속으로 날아다녔을 것으로 생각된다. 하지만 질량을 가진 입자는 광속으로 날 수 없으므로, 광속으로 날아다닌 모든 입자는 질량이 0이었다고 생각된다. 그러면 질량은 어떻게 생긴 것일까?
1961년 일본계 미국인 물리학자 '난부 요이치로 (Yoichiro Nambu, 1921~2015)'는 우주가 식어서 진공의 '대칭성의 자발적 파괴(Spontaneous Symmetry Breaking)'가 일어나, 일부 소립자에 질량이 생겼다고 생각했다. '대칭성(Symmetry)'이란 어떤 방향도 특별하지 않고 대등한 성질을 말하고, '대칭성의 파괴'란 대등한 성질이 성립하지 않게 되는 것을 말하며, '자발적으로'라는 말은 '저절로'라는 의미이다.
사실 '대칭성의 자발적 파괴(Spontaneous Symmetry Breaking)'는 자연계에서 널리 나타나는 현상이다. 자석을 예로 들어보자. 자석은 '철'로 되어 있다. 그리고 하나하나의 철 원자에는 'N극'과 'S극'이 있다. 그 방향이 가지런해지면 철 원자의 덩어리 전체가 N극과 S극을 가진 자석이 된다. 하지만 자석을 뜨겁게 해서 어느 일정 온도(임계 온도) 이상이 되면 철 원자의 방향이 제각각으로 흩어진다. 이때 철 원자의 방향은 특별한 의미가 없이 대칭성을 가지고 있다. 그런데 온도가 낮아지면, 철 원자의 방향이 가지런해져서 방향이 의미를 갖게 된다. 즉, 대칭성이 자발적으로 파괴된 것이다. '난부 요이치로'가 제창한 진공 '대칭성의 자발적 파괴(Spontaneous Symmetry Breaking)'는 그후 '힉스 구조(Higgs structure)' 등에 응용되었다.
5-2. 힉스 메커니즘
5-2-1. 힉스 입자(Higgs Particle)
1964년, 영국의 물리학자 '피터 힉스(Peter Ware Higgs, 1929~)는 '힉스 메커니즘(Higgs mechanism)'을 제창했다. 힉스는 초고온이던 우주가 식어서 진공의 대칭성이 자발적으로 파괴된 결과, '힉스 입자(Higgs particle)'가 진공에 가득 찼다고 생각했다. 그리고 광속으로 날아다니던 소립자의 일부가 힉스 입자에 부딪쳐 속도가 떨어지고 질량이 생겼다고 생각했다. 힉스 입자는 2012년에 'LHC(스위스 제네바와 프랑스 오베르뉴론알프 앵(Ain) 주의 국경지대 지하에 건설된 거대 입자 가속기)'의 실험을 통해 실제로 발견되었다.
'약한 핵력'을 전달하는 'W 입자'나 'Z 입자'는 과거엔 질량이 0이라고 알려져 있었다. 하지만 '입자 가속기(Particle Accelerator)'에 의한 실험 결과, 두 입자 모두 질량이 있다는 사실이 밝혀졌다. 그리고 그것을 설명하기 위해 '힉스 입자'가 도입되었다.
5-2-2. 표준 이론(Standard Theory)
'질량(Mass)'이란 물체에 힘을 가했을 때 '가속되기 힘든 정도'이다. 즉, 같은 힘을 가했을 때, 조금밖에 움직이지 않는 것일수록 질량이 크다. '힉스 메커니즘'에서는 힉스 입자에 대해 반응하기 쉬운 정도에 따라 질량의 크기가 결정된다고 생각한다. 즉, 힉스 입자에 잘 부딪치는 것일수록 가속되기 어렵고(질량이 크고), 잘 부딪치지 않는 것일수록 가속되기 쉽다(질량이 작다)고 생각한다. '표준 이론'에서는 진공에 힉스 입자가 가득 차 있다고 생각한다.
현재 소립자 물리학의 기본은 '표준 이론(Standard Theory)'이라 불리는 이론이다. 표준 이론은 '힉스 입자(Higgs particle)'가 존재함을 전제로 만들어졌기 때문에, 표준 이론에서 '힉스 입자'는 없어서는 안되는 입자이다.
5-3. '중성미자'의 질량
'중성미자(Neutrino)'는 '전기적으로 중성인 작은 입자'를 의미한다. 중성미자는 '렙톤(Lepton)'의 일종이며, 중성미자에는 '전자 중성미자(Electron Neutrino)', 뮤 중성미자(Muon Neutrino)', '타우 중성미자(Tau Neutrino)'의 세 종류 소립자가 있다.
1930년, 스위스의 물리학자 '볼프강 파울리(1900~1958)'는 원자핵의 '베타 붕괴'로 중성미자가 발생할 것을 예언하였다. '베타 붕괴(β-decay)'란 원자핵의 중성자가 양성자로 변하면서 '베타 입자(전자)'를 방출하는 '방사성 핵붕괴'를 말한다. 현재에는 중성미자가 우주에 대량으로 존재한다는 사실이 밝혀져 있다. 중성미자는 다른 소립자로부터 '약한 핵력'으로만 영향을 받기 때문에, 지구나 우리의 몸 등 온갖 물질을 빠져나간다.
1987년 일본의 물리학자 '고시바 마사토시(1926~) 등의 연구 그룹은 기후현의 가미오카 광산 지하에 설치한 '가미오칸데(KAMIOKANDE)'에서 대마젤란은하에서 일어난 '초신성 폭발(Supernova Explosion)'로 방출된 '중성미자'를 검출하는 데 성공하였다. 또 '고시바 마사토시'의 제자인 '도쓰카 요지(1942~2008)' 그룹도 1998년에 '중성미자 진동'이라는 현상을 관측하는데 성공했다. '중성미자 진동(Neutrino Oscillation)'이란 하나의 중성미자가 다른 종류의 중성미자로 '변신'하는 현상을 말한다.
표준 이론에서 중성미자의 질량은 0이라고 생각되었다. 중성미자는 '힉스 입자'와는 반응하지 않기 때문에 질량이 없다고 생각한 것이다. 하지만 '슈퍼 가미오칸데(가미오칸데를 개선한 중성미자 관측 시설)'가 관측한 '중성미자 진동'은 중성미자에 질량이 있는 경우에 일어난다고 예측된 현상이었다.
6. CP 대칭성의 파괴
6-1. 입자와 반입자
1928년 영국의 물리학자 '폴 디랙(Paul Dirac, 1909~1984)'은 '상대성 이론'과 '양자론'을 이용해 '반입자(Antiparticle)'라 불리는 입자가 있음을 예언하였다. '반입자(Antiparticle)'란 입자와 전하가 반대인 입자이다. 예컨대, 양전하를 가진 '양성자(Proton)'의 반입자는 음전하를 가진 '반양성자(Antiproton)'이고, 음전하를 가진 '전자(Electron)'의 반입자는 양전하를 가진 '양전자(Positron)'이다. 참고로 전자는 '렙톤(Lepton)'의 일종이다.
1932년, 미국의 물리학자 '칼 앤더슨(Carl David Anderson, 1905~1991)'은 우주에서 오는 '우주선(cosmic rays)'에 의한 반응으로부터 '양전자'를 발견해, 디랙의 설이 옳다는 사실을 증명하였다. 현재에는 모든 입자에 대해 반입자가 있다고 생각된다. 입자와 반입자는 항상 쌍으로 생겨나고, 입자와 반입자가 충돌하면 에너지를 방출하고 소멸한다. 전자를 '쌍생성(Pair production)'이라 하고, 후자를 '쌍소멸(Pair annihilation)'이라고 한다. 우주가 갓 탄생했을 당시, 입자와 반입자는 같은 수만큼 생겨났을 거라고 생각된다. 하지만 반입자는 우주의 성장 과정에서 사라지고 현재는 입자만 남게 되었다.
6-2. CP 대칭성의 파괴
우주가 갓 탄생했을 당시, 입자와 반입자는 같은 수만큼 생겨났을 거라고 생각된다. 하지만 반입자는 우주의 성장 과정에서 사라지고 현재는 입자만 남게 되었다. 반입자는 왜 사라졌을까? 그 원인의 하나가 'CP 대칭성의 파괴'라고 생각된다. CP는 'CP 변환'이고, '대칭성의 파괴'란 물리 법칙이 바뀌는 것을 가리킨다. 즉, 'CP 대칭성의 파괴'란 입자를 'CP 변환'했을 때, 변환 전과 변환 후에 입자의 물리 법칙이 바뀌는 것이다. 입자의 'CP 변환'이란 'C 변환'과 'P 변환'을 동시에 하는 변환이다. C 변환은 '전하(Charge)'를 반대로 하는 변환, 'P 변환'은 공간을 '반전(Parity)'하는 변환이다.
'C 변환'과 'P 변환'은 각각 대칭성이 파괴되어 있음이 알려져 있다. 그에 비해 CP 변환은 대칭성의 파괴가 별로 발견되지 않았기 때문에 'CP 대칭성'은 파괴되지 않은 것으로 알려졌었다. 그런데 1964년에 미국의 물리학자 '제임스 크로닌(James Watson Cronin, 1931~2016)'과 '밸 로그즈던 피치(Bell Logsdon Fitch, 1923~2015)'가 'K⁰ 중간자'의 붕괴를 조사하는 실험에서 'CP 대칭성의 파괴'를 발견했다.
1973년 '고바야시 마코토小林 誠, 1944~)'와 '마스카나 도시히데(益川 敏英, 1940~2021)'는 '고바야시, 마스카와 이론'을 발표하였다. 그들은 쿼크가 3종밖에 알려져 있던 당시에, 쿼크가 6종이 있으면 'CP 대칭성의 파괴'를 이론적으로 설명할 수 있다고 생각했다.
6-3. 1995년 - '톱 쿼크'의 발견
1973년, '고바야시 마코토'와 '마스카나 도시히데'에 의해 쿼크가 6종이 있다고 예언된 이후, 1974년에는 '참 쿼크(Charm Quark)'가, 1977년에는 '바텀 쿼크(Bottom Quark)'가 발견되었다. 그리고 20년 정도가 더 지나 1995년에는, 마지막 쿼크인 '톱 쿼크(Top Quark)'가 발견되었다.
소립자 물리학 실험에서는 '입자 가속기(Particle Accelerator)'가 사용된다. 입자 가속기는 '양성자(Proton)'나 '전자(Electron)' 등의 입자를 가속해 충돌시키거나 하는 장치이다. 입자를 가속시키면 입자가 가진 운동 에너지가 점차 커지는데, 고에너지 상태가 된 입자끼리 충돌시키면, 입자가 붕괴하거나, 원래와는 다른 입자가 생성되기도 한다. 입자의 종류나 붕괴·생성의 방법을 조사함으로써 새로운 입자를 발견할 수 있다.
하지만 질량이 큰 입자를 가속시키려면 고에너지가 필요하고, 그에 걸맞는 가속기가 필요하다. '톱 쿼크(Top Quark)'가 가장 늦게 발견된 이유는 '톱 쿼크'가 질량이 큰 소립자였기 때문이었다. '톱 쿼크'의 질량은 금의 원자핵 정도라고 생각된다. '톱 쿼크'는 '테바트론(Tevatron)'가속기에서 검출 실험을 통해 발견되었다. 단, 일상생활 수준에서는 무거운 입자는 안정되게 존재할 수가 없어 다른 입자로 붕괴해 버린다. 그래서 일상생활 수준에서 원자를 구성하고 있는 소립자는 쿼크의 '업 쿼크(Up Quark)', '다운 쿼크(Bottom Quark)'와 렙톤의 '전자(Electron)'이다.
6-4. 고바야시, 마스카와 이론의 검증
'CP 대칭성의 파괴'는 'K 중간자(K-meson)'의 붕괴를 조사하는 실험에서 발견되었다. 하지만 'K 중간자'의 붕괴에서는 CP 대칭성의 파괴 정도가 그다지 크지 않았다. 그 후 'B 중간자'의 붕괴에서는 'CP 대칭성의 파괴' 정도가 더욱 크게 나타난다는 사실이 이론적으로 밝혀졌다. 그래서 건설된 가속기가 미국의 'PEP-Ⅱ'와 미국의 'B팩토리'이다. 두 가속기 모두 'B 중간자'와 '반B 중간자'를 대량으로 만들어 낼 수 있다.
가속한 '전자(Electron)'와 '양전자(Proton)'를 충돌시켜 'B 중간자'와 '반B 중간자'를 만들고, 'B 중간자'와 '반B 중간자'의 붕괴 모습을 조사하였다. B팩토리는 1999년 6월에 실험을 시작하여, 2001년에는 'B 중간자'가 'J/ψ(제이/프시) 중간자'와 'Ks 중간자'로 붕괴하는 과정에서 CP 대칭성의 파괴를 발견했다. 이 CP 대칭성의 파괴는 '고바야시, 마스카와 이론'에서 예언된 것과 정확히 일치했다. 이렇게 해서 '고바야시, 마스카와 이론'이 옳다는 것이 확인되었다.
7. 미지의 소립자들
물질의 소립자는 '표준 이론(Standard Theory)'에 바탕을 두고 있으며, '표준 이론'은 '소립자 물리학'의 기본이 되는 이론이다. 그런데 여러 가지 이론을 바탕으로 '표준 이론'을 넘어서는 '미지의 소립자'들도 예언되어 있다. 예컨대, 고차원 이론에 바탕을 둔 '칼루차-클라인(Kaluza-Klein)입자', 대통일 이론에 바탕을 둔 '물질을 만드는 소립자', '힘을 전달하는 소립자' 등이 있다.
7-1. 초대칭성 입자
또한 초대칭성 이론에서는 표준 이론에 바탕을 두는 소립자 모두에게 '파트너(Partner)'가 되는 소립자가 존재한다고 생각한다. 파트너가 되는 소립자를 '초대칭성 입자(Supersymmetric Particle)'라고 한다. 입자는 자전과 비슷하게 '스핀'을 하고 있는데 물질을 만드는 소립자의 스핀이 1/2, 힘을 전달하는 소립자의 스핀이 1 또는 2이다. 한편, 초대칭성 이론에 바탕을 둔 초대칭성 입자는 물질을 만드는 소립자의 파트너의 스핀이 0, 힘을 전달하는 소립자의 스핀이 1/2 또는 3/2이다.