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by 꿀과학 Dec 18. 2016

기본 입자와
하나뿐인 지구

표준모형. 기본입자

물질의 구성

물질을 이루는 기본입자는 총 12가지 쿼크 6가지, 렙톤 6가지가 있습니다. 기본 입자는 더이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 소립자를 말합니다. 즉, 쿼크와 렙톤은 더이상 쪼갤 수 없습니다. 우리가 알고 있는 거의 모든 물질은 기본물질 중에서 3가지로 구성됩니다. 따라서 기본입자 12가지 중에서 3가지에 주목하시면 됩니다. 다른 기본입자는 많이 다뤄지지 않습니다. 3가지는 쿼크 중에서 위(up)쿼크과 아래(down)쿼크 그리고 렙톤 중에서 전자(e, electron)입니다.


모든 물질은 원자로 이뤄져있습니다. 원자는 원자핵과 전자로 쪼개집니다. 전자는 물질을 이루는 기본입자인 렙톤에 해당되며 더이상 쪼갤 수 없습니다. 원자핵은 더 쪼개져 양성자와 중성자로 나눠집니다. 양성자와 중성자는 원자핵을 이루는 입자라 하여 핵자라고도 불립니다. 양성자는 (+)전하를 갖고 중성자는 이름대로 중성이므로 전하를 띠지 않으므로 원자핵은 (+)전하를 갖습니다. 핵자는 2종류의 쿼크로 또 쪼개집니다. 양성자는 업쿼크 2개, 다운쿼크 1개. 중성자는 업쿼크 1개, 다운쿼크 2개로 구성됩니다.

전하량 +2/3의 업쿼크 2개와 -1/3의 아래쿼크 1개를 가진 양성자는 양성자는 +1의 전하량을 띱니다. 업쿼크 1개와 아래쿼크 2개를 가진 중성자는 전하를 띠지 않습니다. 전하량이란 전기적 성질을 띠는 전하를 띠는 정도로 전자의 전하량을 -1e를 기준으로 상대적으로 표현합니다.

2종류의 쿼크 3개가 모여 핵자를 만듭니다. 핵자는 핵을 이루는 입자로 양성자와 중성자입니다. 양성자는 위쿼크 2개와 아래쿼크 1개, 중성자는 위쿼크 1개와 아래쿼크 2개로 구성됩니다. 양성자와 중성자가 모여 원자핵이 되고 핵 주위에 전자가 맴돌면 원자가 됩니다.
이렇게 모든 물질은 원자로 이뤄져있으며 원자는 중심의 핵과 그 주위를 맴도는 전자로 이뤄져있습니다. 핵은 핵자인 양성자와 중성자로 구성되고 핵자는 쿼크 3개로 쪼개집니다.


물분자를 구성하는 원소는 2종류이고 원자는 3개이다.

물분자(H2O)는 수소(H)와 산소(O) 원소 2종류로 구성되고 

수소 2개, 산소 1개로 원자 3개로 구성됩니다.



핵자는 쿼크 2종류가 3개 모여 형성된다.

핵자는 원자핵을 이루는 입자로 양성자와 중성자가 있습니다.

핵자는 위쿼크와 아래쿼크 2종류의 쿼크 조합으로 쿼크 3개가 모여 이뤄집니다. 

양성자는 위쿼크 2개 아래쿼크 1개가, 중성자는 위쿼크 1개 아래쿼크 2개가 모여 형성됩니다.


아폴로 8호가 달에서 바라본 지구 (1968.12.24)

표준모형

표준모형은 물질을 구성하는 기본 입자와 기본 입자 사이의 상호작용을 설명하는 이론입니다. 총 16개의 입자를 4X4표(힉스입자와 중력자 제외)에 정리하여 간단히 표현할 수 있습니다.

최근 힉스입자의 발견으로 표준모형 4X4표 모델에 추가하여 기록하지만 아직 교과서에서는 다루지 않고 중력자(graviton)는 중력을 매개하는 가상의 입자로 아직 발견되지 않아 포함되지 않고 있습니다. 

표준모형에 따르면 이 세상은 12개의 기본입자인 더 이상 쪼갤 수 없는 가장 작은 입자(6개의 쿼크, 6개의 렙톤)로 구성되어 있고 이들 사이에 상호작용을 매개하는 매개입자 4개가 있습니다.

기본입자

12개의 기본입자는 질량이 커서 중입자라 불리는 쿼크 6개와, 중입자보다 훨씬 가벼워서 경입자라 불리는 렙톤 6개가 있습니다. 쿼크(중입자)는 총 6 종류로 up, down, charm, strange, top, bottom쿼크가  있습니다. 렙톤(경입자)도 총 6 종류로 전자, 뮤온, 타우와 그에 대응하는 중성미자인 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자(뉴트리노)가 있습니다.


입자와 반입자

기본입자에는 12개의 보통 입자와 질량과 전하량은 같지만 반대 전하를 갖는 입자가 있습니다. 이를 반입자라고 하며 부호위에 윗줄(bar,막대)표시를 합니다. 

<좌측> 반쿼크 3개로 구성된 반중성자

위쿼크는 +2/3의 전하량을 가지므로 반위쿼크는 -2/3의 전하량을 갖는다. 아래쿼크는 -1/3의 전하량을 가지므로 반아래쿼크는 +1/3의 전하량을 갖는다. 

<중앙>쌍생성

빛이 입자 한쌍(두개)을 생성하는 것으로 입자와 반입자를 생성한다. 전자와 양전자를 생성하는 모습이다.

<우측>쌍소멸

쌍생성의 역과정으로 전자와 양전자가 충돌하며 소멸하고 감마선을 발생한다.



상호작용과 매개입자

상호작용작용 4가지와 상호작용을 매개하는 매개입자 4가지를 알아보겠습니다. 매개입자는 물질을 구성하는 입자가 아닙니다. 표준모형은 우주에는 4가지 힘이 있으며, 매개입자를 서로 교환하는 상호작용을 통해 힘이 작용한다고 설명합니다. 전자기력을 매개하는 광자(γ, photon), 강한 상호작용을 매개하는 글루온(g, gluon), 약한 상호작용을 매개하는 W보손과 Z보손이 있습니다.


질량 & 중력 & 중력자

질량을 가진 모든 물체는 서로 인력을 작용합니다(만유인력의 법칙). 기본입자 12개 모두 질량을 가집니다. 따라서 기본입자는 모두 서로 중력의 영향을 받습니다. 

중력을 매개하는 입자는 중력자입니다. 기본입자 12개는 모두 질량을 가지므로 중력자가 관여하는 중력을 작용합니다.(하지만 중력자는 표준모형에 없습니다. 아직 발견되지 않은 가상의 입자입니다.) 힉스입자(Higgs Boson)는 최초의 물질 형성과정에서 질량을 부여하며 사라진 입자입니다.


전하량과 전자기력 & 광자

전하를 띠는 모든 물질 사이에는 전자기력이 작용하며 전자기력은 광자를 매개로 작용합니다. 전기적 성질에는 양(+)전하와 음(-)전하가 있습니다. 서로 같은 전하와는 척력이 다른 전하와는 인력이 작용합니다. 기본 입자 중에서 쿼크 6개와 전자, 뮤온, 타우는 전하량을 갖습니다. 중성미자나 중성자는 전하를 띠지 않으므로 다른 물질들과 전자기력을 작용하지 않습니다.


강한 상호작용 & 글루온

쿼크들 사이에 강한 상호작용이 작용하며 글루온(g)이 매개합니다. 강한 상호작용은 강한 핵력, 줄여서 강력이라고도 부릅니다. 쿼크 사이에 작용합니다. 핵자들은 쿼크로 이뤄져 있으므로 양성자와 중성들끼리도 작용하는 것입니다.


약한 상호작용 & 약력

렙톤 사이에 작용하는 약한 상호작용은 W보손과 Z보손을 매개하여 작용합니다. 약력은 더 정확히 전자와 전자 중성미자, 뮤온과 뮤온 중성미자, 타우와 타우 중성미자 사이에 작용하는 힘입니다. 즉, 렙톤과 그에 대응하는 중성미자 사이에 작용하는 힘입니다.


상호작용의 세기 (암기팁: 강-전-약-중) 

상호작용을 크기 순으로 나열해보면 강력이 가장 크고 전자기력, 약력, 중력 순입니다.

하지만 우리는 과학 공부를 하며 가장 약한 힘인 중력을 많이 다룹니다. 가장 강한 힘이라는 강력은 잘 다루지 않는 이유는 무엇일까요? 이유는 다음과 같습니다.



우주 범위에서 중력.
원자 범위에서 전자기력.


상호작용의 범위

우주 범위에서는 중력이 가장 크게 작용합니다. 지구에서 물체들의 움직임과 천문학에서 은하, 별, 행성, 성간물질과 같은 천체들의 움직임은 중력의 지배를 받습니다. 우리가 지구에서 떨어져 나가지 않고 살 수 있는 것도 중력 때문입니다.

전자기력원자수준에서 크게 작용합니다. 전자가 원자핵 주위에 존재하며 궤도 운동하는 이유는 전자기력 때문입니다. 물론 핵자와 전자 모두 질량을 가지므로 중력도 작용하겠지만 이들은 너무 가벼워 중력으로 붙잡을 수 없습니다. 원자핵은 양(+)전하, 전자는 음(-)전하를 가지므로 인력이 작용합니다. 원자핵과 전자가 원자를 이루는 것은 전자기력이 핵심적인 역할을 하고 있는 것입니다.

강력쿼크, 핵자간에 작용합니다. 양(+)전하를 띠는 양성자들이 어떻게 서로 뭉쳐 핵자를 구성하는지 과학자들은 설명할 수 없었습니다. 이들 사이에서는 중력으로 끌어당기는 힘보다 전자기력으로 밀어내는 힘이 더 강하기 때문입니다. 핵안에서 작용하는 아주 강한 힘이 있을 것이라 생각했고 강한 핵력을 도입했고 발견하게 되었습니다. 강력으로 인해 쿼크들이 모여 양성자, 중성자와 같은 핵자를 구성할 수 있습니다. 양성자와 중성자가 모여 핵을 구성하는 것은 강력이 핵심적인 역할을 한것입니다.

약력렙톤사이에 작용합니다. 정확히는 전자와 전자 중성미자, 뮤온과 뮤온 중성미자, 타우와 타우 중성미자 사이에 작용합니다. 대표적으로 베타붕괴가 있습니다. 베타붕괴는 중성자가 양성자로 변하며 전자와 전자중성미자를 내놓습니다. 다운쿼크가 업쿼크로 변하며 전자와 중성미자를 내놓는 것입니다. 이때 약력이 작용하고 매개입자인 W보손과 Z보손이 관여합니다.


우리가 지구에 살고
지구가 태양 주위를 도는건
중력
전자가 원자핵에 잡혀
원자가 구성된건
전자기력
위쿼크 모여
핵이 된건
강력
베타붕괴는
렙톤끼리
약력



    -                     


CERN(유럽입자물리학연구소)의 LHC(강입자충돌기)에서 힉스입자를 발견한 사진이다. 썸네일 사진도 LHC의 다른 연구 사진이다.


#0 지구는 하나

물질은 계속 쪼개집니다. 하지만
기본입자인 쿼크와 렙톤은 더이상 쪼갤수 없습니다.

지구도 나눌 수 없습니다.
소중한 지구를 파괴하지 않고 지켜야 합니다.
그리고 우리도 서로 화합하고 배려하며 살아가야 할 것입니다.
아폴로 17호에서 바라본 지구 (1972.12.7)


#1 과학의 잠정성과 우리.

과학은 진리가 아닙니다.
지식은 언제든지 변할수 있습니다.
새로운 계산과 관측으로
완전히 폐기되거나 일부 수정되며 발전합니다.
 
표준모형은 이 세상의 물질을 설명하려는
현대과학의 입자물리학 이론 중 하나입니다.

힉스입자의 존재를 예상하고 실험을 통해 발견했으며
중력자라는 가상의 존재를 들어 설명하고 있습니다.
그럼에도 설명이 불완전하여 
고유 진동을 가진 끈이 기본형태라는 끈이론이 등장했습니다.

과학은 자연 현상을 설명하고자 애썼고
수많은 시도와 실패속에서 첨단 과학이란 이름을 얻었지만
아직도 불완전 투성이입니다.

우리도 많이 부족합니다. 당연히 실수도 많이 합니다.
좌절하고 낙심하지 마세요. 
실패를 통해 배우지 않는 것이 실패입니다.

과학과 역사가 우리에게 보여주는 것은
단순 사실과 지식만이 아닙니다.
과학과 역사는 우리에게 성찰속에서
배우는 인간이 성공한다는 것을 보여줍니다.

 


#2 기본 물질과 기본 태도

우리 몸도 지구도 우주의 별, 은하, 성간물질
모두 같은 물질로 이뤄져있습니다.

때문에 구성 성분을 알고 싶다면
멀리 나가서 확인해볼필요도 없습니다.
우리는 지구에 가만히 앉아서 스펙트럼을 통해  
쉽게 확인할 수 있음을 배웠습니다.

모래위 탑은 언제 무너질지 모릅니다.
기본이 없다면 그 이상은 존재할 수 없습니다. 

살아가는데 필요한 핵심 스킬들은
물질이 같은것과 같이 일맥상통합니다.

개성과 장점은 각기 달라도
성실, 근면, 끈기, 도전과 같은 
삶을 대하는 기본 태도는 누구나 가져야겠죠.
뿌리를 이루는 기본이 되어있는지 성찰해보시기 바랍니다.



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