물질의 기본적인 구성입자로 추측되는 원자구성입자의 하나.
양성자와 중성자가 원자핵을 이루는 것과 같이 양성자와 중성자 그 자체도 쿼크로 이루어져 있다고 생각한다. 양성자와 중성자 외에 다른 중입자들도 핵의 구성성분을 결합하는 힘인 강력에 의해서 상호작용하는 모든 입자처럼 쿼크로 설명한다. 현재 받아들여지는 이론에 의하면 쿼크는 질량을 가지고 있으며 각운동량의 양자역학적 기본단위의 1/2 스핀(입자의 축 주위의 회전에 해당하는 본질적인 각운동량)을 갖는다. 후자의 특성은 쿼크들이 파울리의 배타 원리를 따른다는 것을 말한다. 이 배타 원리는 반정수의 스핀을 갖는 두 입자는 완전히 같은 양자 상태에 함께 존재할 수 없음을 말한다. 쿼크는 궁극적인 기본입자로 보인다. 쿼크는 내부 구조가 없는, 즉 더 작은 그 무엇으로 분리될 수 없는 입자이다. 쿼크는 결코 독립적으로 존재하지 않으며 항상 다른 쿼크들과 결합하여 생긴다. 여러 해 동안 물리학자들은 자유 상태의 쿼크 를 관측하기 위해 입자가속기에서 중입자를 때려 쿼크를 떼어내고자 시도했지만 아직까지 성공하지 못했다.
1960년대에 실험에서 관측되는 숫자가 점점 증가하는 원자구성입자들을 설명하기 위한 노력으로 이론물리학자들은 양성자와 중성자가 더 작은 물질의 단위로 이루어져 있을 가능성을 고려하게 되었다.
쿼크를 실제적인 물리입자로 해석하면 2가지 중요한 문제점이 제시된다.
쿼크들이 서로 가까이 있을 때 글루온에 의하여 전달되는 결합력은 약하다. 양성자의 지름인 약 10^(-13)㎝의 거리에서 쿼크들은 서로 자유로이 움직인다. 이 조건을 점근자유(漸近自由, Asymptotic Freedom)라고 한다. 그런데 양성자에서 쿼크들을 차내버리듯이 떼어놓으려고 하면 그 결합력은 강해진다. 이 현상은 상호작용하는 물체들 사이의 거리의 제곱에 따라서 더 약해지는 전자기력과는 대조된다.
양자색역학이 쿼크의 운동을 설득력 있게 설명하고 그들의 기본 특성을 계산하도록 해주지만 1970년대 말에 발견된 두 종류의 무거운 쿼크들에 연관된 'charm'과 'bottom'의 향을 설명하지는 못한다.
그리고 3개의 쿼크와 렙톤은 서로 반대되는 성질을 가진 3개의 쿼크와 렙톤이 있어 서로
상쇄합니다.
쿼크와 렙톤을 표로 나타내면
| 쿼크 | 렙톤 | ||||||
| 업쿼크족 | 업쿼크 | 참쿼크 | 탑쿼크 | 전자족 | 전자 | 뮤온 | 타우입자 |
| 다운쿼크족 | 다운쿼크 | 스트레인지쿼크 | 바텀쿼크 | 중성미자족 | 전자형 중성미자 | 뮤온형 중성미자 | 타우입자형 중성미자 |
이런 식으로 나타낼 수 있습니다.
이것으로 다시 나누어 보면
(전자전하량 기준으로, 업쿼크는 +2/3 , 다운쿼크는 -1/3)
(질량을 기준으로 업쿼크 0.003, 다운쿼크 0.006)
양성자 (업쿼크2,다운쿼크1)이므로 전기적으로 +1값을 같는 것이고
중성자 (업쿼크1,다운쿼크2)이므로 전기적으로 중성을
전자는 렙톤 중 1족이므로 -1값을 같는 것이랍니다.
그리고 소립자 개념은 보통 이 쿼크와 렙톤을 가르쳐 하는 말이고요
글루온이라는 것은 쿼크 사이에서 강한 상호작용을 하는 소립자
쿼크 (quark)는 소립자 바리온과 메존을 이루는 알갱이이다.
이름(영문)기호전하량질량 (MeV)
| 위(Up) | u | +2/3 | 1.5 - 5 |
| 아래(Down) | d | -1/3 | 17 - 25 |
| 맵시(Charm) | c | +2/3 | 1100 - 1400 |
| 야릇한(Strange) | s | -1/3 | 60 - 170 |
| 꼭대기(Top) | t | +2/3 | 165000 - 180000 |
| 바닥(Bottom) | b | -1/3 | 4100 - 4400 |
각 쿼크에는 해당하는 반쿼크라 불리는 반입자(antiparticle)가 존재하며, 전하량이 반대이다.
각 쿼크 알갱이는 기본 전하의 1/3 혹은 2/3에 해당하는 전하량을 갖는다. 양자색역학(QCD)에 따르면, 쿼크는 홀로 존재할 수 없고 언제나 (쿼크와 반쿼크 쌍의) 메존, 혹은 (세 개의 쿼크, 혹은 세 개의 반쿼크의) 바리온의 형태로 존재하여, 언제나 기본 전하량의 정수배만이 검출된다.
전하량 외에도 쿼크는 색전하(色電荷)란 물리량을 갖는데, 이 양은 '빨강', '초록', 혹은 '파랑'으로 나타낸다. 이 물리량에 대한 보존법칙은 합쳐진 입자는 언제나 '무색'이어야 한다고 말한다. 반쿼크는 '반빨강', '반초록', '반파랑'의 색전하를 갖는다.
이 보존법칙에 따라 쿼크는 홀로 관측될 수 없고, 다른 쿼크, 혹은 강한 상호작용 입자와 합쳐진 상태로만 관측된다. 따라서 위에 적힌 쿼크의 질량은 정확한 값이 아니라 참값이 놓여 있을 것으로 여겨지는 범위만을 말하고 있다.
쿼크라는 이름은 제임스 조이스의 "Finnegan's Wake"라는 작품 중에 나오는 의미없는 문장 "three quarks for Muster Mark"에서 유래했다.
다른 사전에서 쿼크의 정의
현재 쿼크는 6종(種) 3류(類)가 있다고 가정되어 있다.
전자를 원자핵에 속박시키고 있는 힘은 전자기력(電磁氣力)이며, 이 힘은 광자(photon)에 의하여 매개되고 있다.
1960년대 초반까지는 이와 같은 소재와 접착재의 수가 수백 종 확인되었으며, 이들 모두가 소립자라고 생각되었다. 그들은 광자족(光子族:하나뿐), 약입자족(弱粒子族) 또는 경입자족(輕粒子族) 및 강입자족(强粒子族)으로 분류되었고, 강입자족은 중간자족과 중입자족(重粒子族:중성자와 양성자는 이 족에 속한다)으로 나뉘었다. 개체성(個體性)과 전환성(生成消滅現象)은 소립자의 특성이다. 한 입자의 동정(同定)에는 특성의 동정이 필요하고, 특성은 양자수에 의해서 표현된다.
양자수에는 시공(時空)과 관계가 있는 것도 있고, 그렇지 않은 것도 있는데, 시공과 관계가 없는 양자수를 내부양자수라 하며 시공양자수와 구별한다.
와 같은 관계가 실증적으로 성립한다. 또, I3은 I의 제3성분이다. 종래 하전량(Q)은 전자의 하전량(e)을 기준으로 하고 있으며, 분할될 수 없는 것이라고 생각되어 왔다. 그러나 위의 관계식에서는 I3과 Y의 두 양으로 하전량이 분할되어 표현되어 있다.
1964년 M.겔만과 G.츠바이히는 위와 같은 하전량의 분할성에 내재된 물리를 통찰하고, 분수하전량 1/3, 2/3를 가지는 기본 소재를 가정하여 쿼크라고 명명했다. 그들은 (u,d,s) 3종의 쿼크(q)를 기본구성으로 설정하고, 중간자는 정(正)쿼크(q)와 반(反)쿼크(吼)의 복합입자(q吼)로, 중입자는 쿼크 셋(qqq)의 복합입자라는 소립자의 복합모델을 제창했다. 이 모델은 그 후 대단히 유용하다는 것이 입증되었다.
입자가속기의 출력 증가에 힘입어, 1970년대 이후에도 계속해서 새로운 입자가 발견됨에 따라 쿼크의 수(種)도 증가되었고, 1977년까지 5종의 쿼크를 찾아냈으며, 최후의 입자라 불리던 톱쿼크가 94년 페르미연구소에 의해 발견됨에 따라 마침내 6종의 쿼크 모두가 발견되었다. 당초에는 생각하지도 못한 물리량인 색[類]도 세 가지가 도입되었다.
쿼크에는 u(up), d(down), s(strange), c(cham), b(bottom), t(top)의 여섯 가지가 있다. 이 여섯 가지 쿼크를 이용하면 많은 하드론 입자의 구성을 다 설명해 낼 수 있다. 예를 들어 양성자는 두 개의 u쿼크와 하나의 d쿼크로 이루어져 있으며, 중성자는 두 개의 d쿼크와 하나의 u쿼크로 구성되어 있다. 이렇게 해서 현재 우리가 알아낸 근본 입자의 수는 12가지가 되었다. 6종류의 경립자와 6가지의 쿼크가 그것이다.
| 물질은 어디까지 쪼개질까? |
곽영직 교수(수원대학교 물리학과)
세상에 있는 수많은 물건들은 무엇으로 만들어져 있을까? 이 물건들을 쪼개고 또 쪼개면 마지막에 남는 것은 무엇일까? 이것은 과학자들이 풀어 내야 할 가장 어려운 숙제 중의 하나이다. 과학자들은 자연과학이 시작되면서부터 이문제를 풀기 위해 노력해 왔다. 그러나 수천년 동안이나 계속된 물질의 근원을 찾는 일은 아직도 끝나지 않고 있다. 그동안 과학자들은 더 이상 쪼개지지 않는 가장 작은 입자라고 생각되는 근본 입자들을 몇 번 발견하기도 했다. 하지만 이들은 곧 더 작은 알갱이로 쪼개진다는 것이 밝혀져 과학자들은 다시 새로운 근본 입자들을 찾는 일을 시작해야 한다.
흙,물,공기,불의 4원소
고대 그리스의 과학자들은 만물은 흙, 물, 공기, 불로 이루어졌다고 했다. 모든 물질이 이 네가지 원소의 배합으로 만들어졌다고 주장했기 때문에 이 학설을 4원소설이라고 한다. 사람들은 1808년에 영국의 돌턴이 만물은 더 쪼개지지 않는 알갱이인 원자로 이루어졌다고 주장할 때까지 4원소설이 맞는 것으로 생각했다.
원자론
그러나 지금부터 약 200년 전에 돌턴이 원자론을 처음 제기하므로서 여러 가지 다른 종류의 원자로 이루어졌다는 것을 알게 되었다. 돌턴은 원자가 더 이상 쪼개지지 않는 물질의 가장 작은 단위라고 생각하고 아톰(atom)이라는 이름을 붙였다. 아톰이라는 말에는 더 이상 쪼개지지 않는다는 의미가 포함되어 있다. 그 후 약 100년간 사람들은 원자가 모든 물질을 이루는 가장 작은 입자라고 생각했었다. 그러나 19세기가 끝나갈 무렵 원자도 쪼개진다는 사실이 밝혀지기 시작했다.
속속 발견되는 새론운 입자들
20세기 초에 과학자들은 전자와 양성자를 발견하고 원자가 양성자와 전자로 이루어졌다는 것을 알아 냈다. 따라서 사람들은 이제 원자를 대신해서 양성자와 전자를 만물을 이루는 가장 작은 입자라고 생각했다. 1932년에는 중성자가 발견되었다. 지구 상에는 90가지가 넘는 원자들이 있는데 이들은 양성자와 전자 그리고 중성자의 수가 다를 뿐 양성자, 전자, 중성자로 이루어져 있다. 따라서 만물이 양성자, 중성자, 그리고 전자의 세 가지 입자로 구성되어 있다고 생각할 수밖에 없었다.
그러나 곧 양전자, 중간자, 중성미자와 같은 새로운 입자들이 속속 발견 되었다. 이러한 새로운 입자들의 발견은 원자를 이루는 양성자, 중성자 같은 입자들 마져도 근본 입자가 아닐지 모른다는 생각을 가지게 했다. 따라서 과학자들은 근본 입자를 찾기 위해 다시 한번 더 작은 세계로 여행을 떠나야 했다. 학자들은 우선 입자들이 가지고 있는 여러 가지 성질을 이용하여 입자들을 몇 가지 종류로 나누어 보았다. 이들 입자들은 경립자족, 중립자족, 중간자족의 세 가지 종류로 나눌 수 있다.
전자, 중성미자, 뮤온, 무 중성미자, 타우입자, 타우 중성미자의 여섯 가지 입자는 경립자족에 속한다. 경립자를 영어로는 렙턴이라 하는데 가벼운 입자라는 뜻이다. 그런데 이들 여섯 가지의 경립자들은 더 이상 쪼개지지 않는 근본 입자라는 것이 과학자들의 생각이다. 그래서 결국 물질의 근원 중에 여섯 가지는 밝혀낸 셈이다.
경립자 다음으로는 중립자와 중간자가 있다. 중립자에 속하는 입자들과 중간자에 속하는 입자들을 통틀어 하드론이라고도 한다. 원자를 구성하고 있는 양성자와 중성자도 하드론에 속한다. 과학자들은 하드론 입자들이 쿼크라는 더 작은 입자로 이루어졌다는 것을 밝혀냈다.
근본 입자의 수는 12가지!?
쿼크에는 u(up), d(down), s(strange), c(cham), b(bottom), t(top)의 여섯 가지가 있다. 이 여섯 가지 쿼크를 이용하면 많은 하드론 입자의 구성을 다 설명해 낼 수 있다. 예를 들어 양성자는 두 개의 u쿼크와 하나의 d쿼크로 이루어져 있으며, 중성자는 두 개의 d쿼크와 하나의 u쿼크로 구성되어 있다. 이렇게 해서 현재 우리가 알아낸 근본 입자의 수는 12가지가 되었다. 6종류의 경립자와 6가지의 쿼크가 그것이다.
물질의 근원을 알아내려는 수천년 동안의 노력이 12개의 입자를 밝혀내는데 성공했다. 그러나 아직 우리는 우리가 알아낸 12가지 입자들이 정말 더 이상 쪼개지지 않는 물질의 근원인지 자신하지 못하고 있다. 이 입자들의 크기는 1억분의 1cm를 다시 1억으로 나눈 정도이다. 이것은 원자 크기의 1억분의 1밖에 안되는 크기이다. 그러나 어쪄면 이 입자들도 또 쪼개지는 일이 벌어질지도 모른다. 벌써 일부의 과학자들은 이 입자들보다 더 작은 입자를 찾기 시작했다는 소문도 들린다. 물질은 과연 어디까지 쪼개질까?
쿼크(quarks)
우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 물질(matter)을 구성하고 있는 원자들은 모두 양성자(proton)와 중성자(neutron)로 이루어진 원자핵을 가지고 있다.
그런데 최근에 과학자들은 이 양성자와 중성자를 구성하고 있는 기본 입자들과 같은 것을 쿼크라고 이름 지었다. 또한 과학자들은 이러한 쿼크를 아래 표에서 보는 것처럼 대체로 6가지 종류로 분류 하였다.
물론 이들의 anti-쿼크 들도 있다.
특이한 것은 이들은 분수로 표시되는 전하(electric charge)를 가지고 있다는 것이다.
그리고 이 쿼크(quarks)들은 단독으로 발견되지 않는다고 한다.
즉 이들은 다른 쿼크들과 그룹을 지은 상태로만 발견된다는 것이다.
과학자들은 이러한 쿼크들이 그룹을 지어 이루어진 입자를 하드론(hadron)이라고 부른다.
그런데 하드론(hadron)은 다시 두 가지 종류로 분류되는데
한 부류는 바리온(baryon)이라고 하고 다른 한 부류는 메존(mason)이라고 한다.
바리온(baryon)은 3개의 쿼크로 이루어진 입자들을 의미한다.
예를 들면
양성자는 2개의 up쿼크(전기 +2/3)와 1개의 down(전기 -1/3)쿼크로 이루어져 있고
중성자는 1개의 up쿼크(전기 +2/3)와 2개의 down쿼크(전기 -1/3)로 이루어진 바리온류 하드론이라 하겠다.
따라서 양성자를 구성 쿼크로 나타내면 uud와 같이 나타낼 수 있다.
마찬 가지로 중성자를 구성 쿼크로 나타내보면 udd와 같이 나타낼 수 있다.
매존(meson)류는 2개의 쿼크로 이루어져 있는데 이 중에서 1개의 쿼크는 anti-쿼크로 구성되어 있다.
예를 들면
pion이라는 매존입자는 1개의 up쿼크(전기 +2/3)와 1개의 down anti-쿼크로 구성되어 있다.
에너지 밀도체적 견해에서 볼 때 anti입자는 그 상태가 매우 불안정한 것으로 보기 때문에 이러한 anti입자와 결합된 매존 입자는 곧 붕괴될 것으로 예상된다.
그런데 하드론(hadron)에 있어서 과학자들은 1가지 불가사의하고 기묘한 사실에 봉착해 있다.
그것은 하드론의 일종인 양성자의 질량(mass) 인데 이 값과 양성자를 구성 하고 있는 쿼크들의 질량을 합한 값과 같지 않다는 것이다.
즉, 다음과 같은 관계가 성립하고 있다는 것이다.
u + u + d < 양성자
0.003(u) + 0.003(u) + 0.006(d) < 0.938(proton)
양성자를 구성하는 쿼크들의 질량 총 합은 0.003+0.003+0.006=0.012 인데 반해서
양성자 자체의 질량은 0.938로 쿼크의 질양 총합이 양성자 질량의 5% 밖에 안된다는 것이다
이 둘의 값에 0.926의 엄청난 차이가 발생하고 있다는 것이다.
과학자들은 이 현상을 질량 에너지 등가식 으로 설명하고 있다.
즉, 양성자인 하드론(hadron)에 있어서 과학자들이 측정하는 질량의 대부분은 잠재된 에너지(kinetic energy)라는 것이며 이들 에너지가 질량으로 전환되어 나타난다고 설명한다.
에너지 밀도체적 견해로는 과학자들이 이러한 설명은 중간에 한단계가 생략된 다소 비약된 설명이라고 본다.
쿼크와 힉스
(물질의 기본 입자를 찾아서)
물질의 기본입자인 쿼크의 존재는 이미 잘 알려져 있다. 1995년 미국 페르미가속기연구소에서 톱쿼크가 발견됨으로써 6개의 쿼크가 자연에 존재하며 그들은 상당히 다른 질량을 가지고 있다는 것이 밝혀졌다. 1962년 머레이 겔만이 제안했던 쿼크모델이 드디어 완성된 것이다(겔만이 쿼크모델을 제안할 때 3개의 쿼크만 사용했다).
실험적으로 양성자가 쿼크로 이뤄졌다는 것은 1967년 미국 스탠포드선형가속기센터가 2백억eV(전자볼트)의 전자를 양성자에 충돌시키는 실험에서 처음 확인했다. 현재 물리학자들이 이해하고 있는 바로는 1세대의 업쿼크와 다운쿼크, 2세대의 스트렌지쿼크와 참쿼크, 3세대의 바틈쿼크와 톱쿼크 등 6개의 쿼크가 우주의 모든 물질을 만들어낼 수 있는 것이다.
3개의 쿼크가 합쳐지면 중입자(baryon)라는 입자가 된다. 양성자는 이 중입자들 중 가장 가벼운 것이다. 쿼크와 반쿼크가 합쳐지면 중간자(meson)라는 입자가 된다. 이들 중 대표적인 것이 일본의 유가와 히데키가 1935년 예측해 1949년 노벨상을 탔던 파이(π) 중간자이다.
3가지색을 지닌 쿼크
여기서 쿼크의 성질을 잠시 알아보기로 하자. 쿼크의 특이한 성질은 이들이 분수전하를 가진다는 것이다. 즉 전자 전하량의 3분의 1 또는 3분의 2의 크기를 갖고 있다.
분수 전하를 가진다는 것 외에도, 쿼크가 경입자와 다른 점은 색이 있다는 것이다. 쿼크는 3가지 다른 색, 즉 빨강, 파랑, 녹색을 띨 수 있다. 이에 따라 양성자와 중간자와 같은 입자들은 무색투명한 색이 된다. 양성자를 이루는 3개의 쿼크들은 각각 빨강, 파랑, 녹색을 띠고 있다. 빛의 삼원색을 합치면 무색 투명해지는 것과 같이 이들을 합치면 무색 투명해진다.
더 신비로운 것은 쿼크들이 각자의 색을 가지고 홀로 존재할 수 없다는 것이다. 이들은 중입자 또는 중간자 내부에서 색이 없는 조합으로만 존재하게 된다. 이를 '쿼크의 유폐'라고 부른다. 결국 자유롭게 혼자 돌아다니는 쿼크를 볼 수 없다는 것이 현재 물리학의 결론이다.
또한 쿼크의 질량은 매우 다양하다. 가장 가벼운 업쿼크는 전자의 10배 정도이고, 가장 무거운 톱쿼크는 금(Au) 원자 하나의 질량에 맞먹는다. 다시 말해 톱쿼크의 질량은 업쿼크의 질량보다 3만6천배나 크다. 기본 입자인 쿼크들의 질량이 왜 이렇게 다양할까 하는 것은 질량의 근원 문제와 관련된 매우 중요한 의문점이다.
한편 6개의 쿼크들 중에서 양성자와 중성자의 주 구성 성분이며, 현재 우주 물질 중 대부분을 차지하고 있는 것은 업쿼크와 다운쿼크다. 나머지 4개의 쿼크들은 입자 가속기나 우주선 입자를 통해서 생성되고, 매우 짧은 시간 동안 살다가 업쿼크나 다운쿼크로 붕괴해 버린다.
물질과 반물질의 대칭성
이렇게 말하면 4개의 쿼크들이 왜 존재해야 하는지 그 존재의 의미를 물을 수 있다. 이들의 존재는 현재 우주가 왜 반물질이 아닌 물질로만 이뤄졌는가 하는 매우 중대한 의문에 대해 결정적인 열쇠가 될 수 있다. 반물질과 물질 사이의 대칭성은 'CP 대칭성'이라고 한다. 이는 공간을 반전시키고 입자의 전하를 반대 부호로 바꾸어 주는 것에 대한 대칭성이다.
이 대칭성이 미약하게나마 깨져 있다면, 왜 현재의 우주가 물질들로만(반물질이 아닌) 이루졌는지를 설명할 수 있을 것이다. 쿼크가 2개씩 쌍으로 3세대가 존재한다는 것은 이러한 설명을 하는데 중요한 역할을 한다.
쿼크들 사이에는 섞임 현상이라는 것이 있는데, 이를 통해 다른 세대로의 붕괴가 가능하게 된다. 만약 쿼크가 2개 또는 4개만 있다면 이러한 섞임은 완전히 실수들로만 구성된 행렬에 의해 기술될 것이다. 이럴 경우 CP 대칭성은 완전히 보존된다.
CP 대칭성이 깨지려면 최소한 하나의 복소수가 행렬에 포함돼야 한다. 이를 위해 최소한 3개의 세대가 필요하게 된다. 물론 3개 이상의 세대가 있어도 CP 대칭성은 깨진다. 물리학자들이 그동안 입자가속기 실험을 통해 3세대 이상의 쿼크를 찾으려고 엄청나게 노력해 왔다.
하지만 아직까지 4세대의 쿼크들은 발견되지 않고 있다. 자연은 아마 가장 적은 노력으로 모든 현상이 가능하도록 만들어졌는지 모른다. 자연은 필요하지 않은 것들을 만들지 않고 필요 이상으로 많이 만들지도 않은 듯하다.
1999년 초부터는 미국의 스탠포드가속기연구소(SLAC)와 일본의 고에너지물리학연구소(KEK)에서 B-공장이라고 불리는 전자-양전자 가속기가 가동될 예정이다. 3세대의 바톰쿼크로 이뤄져 있는 B-중간자라는 입자들을 수억개 만들어내 이들이 붕괴할 때 발생하는 CP 대칭성이 깨지는 현상을 관측하려는 실험들이다.
B-중간자의 붕괴에서 CP 대칭성이 관측될 가능성은 현재 입자물리학계의 비상한 관심을 끌고 있다. 비록 6개의 쿼크가 모두 발견됐지만 이들의 성질에 대한 연구는 아직도 많이 진행돼야 하기 때문이다. 물론 이들 쿼크가 더 작은 새로운 입자들로 이뤄졌는지에 대한 보다 근원적인 연구도 진행되고 있다.
질량의 근원을 푸는 힉스입자
현재 유럽핵물리연구소(CERN)에서는 페르미연구소의 가속기보다 7배나 에너지가 높은 양성자 가속기를 건설 중이다. 또한 미국, 일본, 독일에서도 각자 또는 국제협력을 통해 1조eV의 전자-양전자 가속기를 건설하려고 한다. 그 목적은 힉스입자라고하는 새로운 입자를 찾는 데 있다.
톱쿼크를 찾았지만 아직도 더 찾아야 할 입자가 남아 있다는 것인가? 원래 힉스는 한 물리학자의 이름이다. 힉스입자의 기원을 찾으려면 몇십년 전으로 거슬러 올라가야 한다.
물리학에서 힘의 통일은 가장 중요한 명제 중 하나다. 물리학자들은 모든 힘들이 궁극적으로 하나의 기본 원리로 이해돼야 한다고 생각해 왔다. 지금은 잘 알려졌지만, 전자기력과 약력이 통합된 것은 1960년대 말 스티븐 와인버그와 압두스 살람이라는 물리학자들에 의해서다. 두 사람은 셸던 글래쇼와 공동으로 이 공적으로 1979년 노벨물리학상을 수상했다.
이 두 힘을 통합하는데 가장 큰 걸림돌은 전자기력이 질량이 없는 광자에 의해 매개되는 반면, 약력은 질량이 있는 입자에 의해 매개된다는 점이다. 그 질량은 그때까지 알려진 어떤 입자보다 무거웠다(8백억eV 정도로 양성자가 80개 있는 것과 같은 질량이다).
이론을 전개하다 보면, 질량이 없는 입자들만 사용할 경우 두 힘을 하나의 일관된 체계로 기술할 수 있으나 약력을 매개하는 입자의 질량을 자연스럽게 도입할 방법이 없었다. 여기에 결정적으로 작용한 것이 힉스가 1964년에 제안한 '자발적 대칭성 깨짐'이라는 것이다.
자발적 대칭성 깨짐이 어떤 현상인지 쉽게 이해하기 위해 원탁에 둘러앉아 식사를 하는 경우를 생각해 보자. 수저가 원탁에 빙둘러 놓여졌을 경우 한 사람의 입장에서 보면, 왼쪽의 것이나 오른쪽의 것이나 대칭이므로 어떤 것을 사용해도 된다.
그러나 어느 한 사람이 왼쪽 수저를 집어서 사용하기 시작하면 다른 사람들도 모두 왼쪽 수저를 사용하는 수밖에 없다. 대칭성이 깨진 것이다.
이와 같이 힉스의 기본적인 아이디어는 매우 간단하다. 즉 축퇴돼 있는 진공의 대칭성이 깨지면서 그 결과로 약력을 매개하는 입자에 질량을 줄 수 있다는 것이다. 하지만 이렇게 함으로써 새로운 입자가 하나 더 생긴다. 이 입자가 힉스입자다.
현재까지의 실험에 의해 약력을 매개하는 보존(boson, 힘을 매개하는 입자로 전자기력의 경우 광자가 보존이다)인 W입자와 Z입자들은 모두 발견됐을 뿐 아니라 그 질량도 매우 정밀하게 측정돼 있다. 그러나 불행하게도 이들의 근원이 되는 힉스입자는 발견되지 않았고, 그 질량이 얼마인지도 예측할 수 없는 상황이다. 여태까지의 실험 결과들을 종합해 보면 힉스입자의 질량은 수백억eV부터 수조eV 사이의 값을 가지리라고 예상된다.
힉스입자는 입자물리의 표준모형의 감초와도 같다. 한약에서 감초가 들어가지 않으면 약의 조제가 끝나지 않는 것처럼, 힉스입자의 성질을 이해하지 않고서는 입자물리학의 표준모형이 최종 검증을 끝냈다고 말할 수 없다.
힉스입자의 가장 중요한 성질은 이들이 입자들과 반응할 때 그 세기는 입자들의 질량에 비례한다는 것이다. 그래서 힉스입자와의 이러한 결합이 질량의 근원이라고 생각될 수 있다. 힉스입자는 자연계의 모든 입자들이 질량을 갖게 하는 기묘한 입자인 것이다. 그러므로 힉스입자를 이해하면 질량의 근원에 대해 이해할 수 있다고 물리학자들은 믿고 있다.
어찌 됐든 2010년까지 위에서 말한 가속기들이 건설돼 실험할 것이므로 21세기 초에는 힉스입자에 대한 모종의 결론이 나올 수 있을 것이다. 또 물리학자들의 최대 관심사 중 하나인 질량의 근원에 대해 한걸음 다가설 수 있게 될 것이다.