세 개의 쿼크-강력의 본질, 양자색역학은 어떻게 태어났는가-

세 개의 쿼크로 밝혀낸 우주의 근본 힘과 기본 입자

머리가 다섯인 천재와 빛의 속도로 입자를 충돌시키는 가속기

이들이 빚어내는 박진감 넘치는 과학자들의 이야기

원자는 ‘더 이상 쪼갤 수 없는’ 입자가 아니었다. 양성자와 중성자마저 기본 입자가 아니었다. 양성자 안에는 전하를 띤 ‘무언가’가 있었다. 이 이야기는 그 무언가에 ‘쿼크’라는 이름을 지어주고, 쿼크의 성질과 본성을 밝히는 여정이다.

물리학은 퀴즈가 아니었다. 물리학은 질문과 답을 동시에 찾는 과정이었다. 우리가 항상 물었던 “세상은 무엇으로 이루어져 있나”라는 질문에 대한 답은 하나가 아니었다. 기본 입자는 여럿이었다. 이 세상의 모든 원소를 한 장의 주기율표에 넣을 수 있는 것처럼, 우리는 이 세상의 모든 기본 입자를 표준 모형이라는 하나의 표에 담았다. 그리고 그들 사이의 상호작용을 네 개의 근본 힘으로 설명했다. 마치 체스의 규칙은 A4 반 장에 담을 수 있을 정도로 간단하지만, 체스가 펼칠 수 있는 게임의 수는 무궁무진한 것처럼 말이다. 이렇게 우리는 “세 개의 쿼크”로, 우주의 질문에 답을 할 수 있게 되었다.

쿼크는 그 과정에서 여러 사람에게 노벨상을 안겼다. 쿼크라는 입자를 상정해 수없이 발견되던 낯선 입자들을 일목요연하게 정리한 머리 겔만은 쿼크의 아버지라고 부를 만하다. 쿼크가 양성자와 중성자 안에서 어떻게 상호작용하는지 밝혀낸 데이비드 그로스와 프랭크 윌첵, 데이비드 폴리처는 ‘점근적 자유성(asymptotic freedom)’이라는 개념을 도입해 쿼크와 힘에 관한 새로운 시각을 열어 주었다.

양성자는 쿼크로 이루어져 있지만, 우리는 쿼크를 볼 수 없다. 쿼크 가둠 혹은 색가둠(color confinement)에 의해 쿼크는 양성자 바깥으로 나갈 수 없기 때문이다. 쿼크는 색전하에 의해 힘을 받는다. 전기력에 플러스와 마이너스라는 두 개의 전하가 있다면, 양자색역학에는 빨강, 초록, 파랑이라는 세 개의 전하가 있다. 양성자와 중성자를 비롯한 물질을 구성하는 입자가 세 개의 쿼크로 이루어진 이유다. 이렇게 양성자가 다른 근본 입자로 구성되어 있다는 것을 가속기 실험으로 밝혀낸 제롬 프리드먼과 헨리 켄들, 리처드 테일러도 당연히 노벨상을 받았다.

지은이 : 김현철

인하대학교 물리학과 교수. 인하대 물리학과에서 학부와 석사 학위를 마치고 독일 본 대학에서 핵자들 사이의 상호작용을 연구하여 박사 학위를 받았다. 1998년에 부산대에 교수로 부임했고, 2008년부터는 인하대에서 학생들을 가르치며 연구하고 있다.

원래 시인이 되고 싶었지만, 어쩌다 시작한 물리학이 시만큼이나 매력적이라는 걸 깨닫고는 평생을 물리학을 하기로 마음먹었다. 독일의 보훔 대학, 미국의 코네티컷 대학, 일본의 오사카 대학과 이화학 연구소, 원자력 연구센터의 고등과학연구소 등에서 연구했고, 양성자의 구조, 펜타쿼크처럼 별난 강입자, 무거운 쿼크가 들어 있는 강입자, 강입자의 토모그래피와 생성 과정, 비섭동 양자색역학의 응용에 관해 200여 편의 논문을 썼다.

물리학자들의 이야기는 언제 들어도 흥미진진했다. 그들은 화가나 시인이 아니었지만, 그들의 말과 행동을 하나씩 이어 붙이자, 그 이야기가 내게는 한 편의 소설이었다. 차가운 수식과 딱딱한 개념이 가득한 논문 뒤에 녹아 있던 그들의 땀과 흥분, 기대와 좌절, 안타까움과 억울함, 욕망과 시기, 질투와 모함을 너무도 생생하게 느낄 수 있었다. 《강력의 탄생》과 《세 개의 쿼크》는 바로 그 이야기를 담았다.

0장 프롤로그

트리스탄과 이졸데의 전설 / 진정한 아토모스

1장 낯선 입자들

두 명의 영국인 / 낯선 입자의 발견 / 계속 발견되는 새로운 입자들

입자물리학의 탄생 / 가속기의 출현 / 혼돈의 시작

2장 가속기의 시대

어니스트 로런스 / 롤프 비데뢰 / 사이클로트론

(박스) 가속기로 무엇을 할 것인가

싱크로사이클로트론 / 선형 가속기 / 예산 확보를 위한 치열한 경쟁

유럽 입자물리 연구소 / 교류 기울기 싱크로트론 / 거대과학의 문을 열다

3장 머리가 다섯 달린 괴물

물리학을 시작하다 / 빅터 바이스코프 / 첫 논문 / 시카고 생활

4장 암흑 속에서

아브라함 파이스 / 이론물리학을 배운다는 것 / 나치 치하의 유대인 / 아이소스핀 대칭성

고등과학원 세미나 / 홀짝 이론과 동반 생성 / 기묘도 / 반목이 싹트다

5장 왼손잡이 신

페르미의 베타 붕괴 이론과 약력 / 타우-세타 퍼즐 / 거울 대칭성

두 명의 중국인 / 거울 대칭성을 깬다면 / 깨어진 약력의 거울

보편적 페르미 이론 / V-A 이론 / 강력과 약력의 완성을 향하여

6장 입자들의 민주주의

캘리포니아 충성 맹세 / 서쪽에서 불어 오는 자유의 바람 / 거품상자 / 루이스 앨버레즈

공명 입자 / 계속 발견되는 공명 입자 / 제프리 추/ 입자들의 민주주의 / 사카타 쇼이치

강력과 입자들의 민주주의 / 신발 끈 이론 / 초끈 이론 / 새로운 물리학을 기다리며

7장 세 개의 쿼크

대칭성 / 팔정도를 향하여 / 팔정도 / 유발 네만 / 겔만과 네만의 만남 / 분수 전하

세 개의 쿼크 / 츠바이크와 에이스 / 입자들의 성질 보고서 / 쿼크와 배타 원리

8장 조용한 물리학자

겸손한 천재 / 양자전기역학의 재규격화 / 난부의 첫 논문 / 초전도체와 강력

자발적 대칭성 깨짐과 강력 / 난부-골드스톤 입자 / 쿼크의 색깔

9장 양성자 속으로

양성자의 자기모멘트 / 행운의 물리학자 / 새로운 섬광 계수기 / 전자 선형 가속기

양성자의 구조 / 프로젝트 M / 심층 비탄성 충돌 / 제임스 비요르켄 / 비요르켄 스케일링

파인먼의 등장 / 쪽입자 모형

10장 통일로 가는 길

쥴리언 슈윙거 / 셸던 글래쇼와 중성 벡터 입자 / 파키스탄의 별 / 스티븐 와인버그

수풀 속 뱀을 해치운 여섯 사람 / 실험의 약진 / 와인버그의 렙톤 모형

11장 돌파구

양-밀스 이론 / 집요한 펠트만 / 헤라라트 엇호프트 / 재규격화된 양-밀스 이론

게이지 장의 조절과 재규격화 / 이휘소와 전자기약론 / 중성 흐름의 발견 / 쿼크와 약력

12장 양자색역학

쪽입자의 정체 / 물리학의 사상가 / 진공이란 무엇인가 / 쿼크의 밀고 당기기

점근적 자유성과 쿼크 가둠 / 하랄트 프리치 / 쿼크와 색깔, 그리고 글루온

쿼크 갇힘과 강력의 진공 / 양자색역학의 탄생

13장 11월 혁명

R의 위기 / 네 번째 쿼크 / GIM 메커니즘 / 영원한 맞수 / 혁명의 전조

11월 혁명 / 맵시쿼크의 발견 / 강력의 근본 이론, 양자색역학

14장 절반의 성공

빌리발트 옌츠케와 독일 전자 싱크로트론 연구소 / 쿼크 제트의 생성

새로운 전자 링 가속기 PETRA / 글루온 제트의 발견 / 아직은 절반의 성공

에필로그

참고한 책과 글

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