강력과 쿼크
원자핵 내의 양성자의 구성 요소는 강력으로 묶여 있는데 보통의 방법으로는 이를 떼어낼 수가 없다. 강력은 ‘양자 색역학(Quantum chromodynamics, QCD)’라는 이론으로 설명된다. 강력은 게이지 보존 교환으로 설명이 가능한 표준 모델의 마지막 힘으로 20세기에 발견되었다. 강력을 전달하는 게이지 보존은 글루온이라고 불린다. 이 입자들이 강력으로 상호 작용하는 입자들을 한데 묶는 힘을 전달한다.
1950년대와 1960년대 물리학자들은 계속해서 수많은 입자를 발견했다. 이 입자들은 모두 ‘강입자’ 또는 ‘하드론’이라고 한다. 강입자들은 전자보다 훨씬 무겁다. 이들의 질량은 전자보다 약 2,000배 무거운 양성자와 비슷하다. 강입자가 다양하다는 것은 풀리지 않는 수수께끼였다. 이론 물리학자 머리 겔만은 1960년대 수많은 강입자는 기본 입자가 아니며 그 대신 ‘쿼크’라고 이름 붙인 입자들이 한데 모인 것이라는 이론을 제안하였다.
겔만은 세 종류의 쿼크가 있고 수많은 강입자들은 이 쿼크들을 조합하면 만들 수 있다고 주장하였다. 물리학자들은 강입자가 쿼크로 이루어진다는 사실에 동의했지만, 강입자의 물리학이 강력의 관점으로 설명된 것은 9년 정도가 지나서였다.
각 쿼크는 세 종류로 분류된다. 물리학자들은 여기에 세 가지 색이름인 빨강, 초록, 파랑을 붙였다. 이렇게 색을 갖는 쿼크는 다른 쿼크나 반쿼크와 결합해 색이 중성이 되는 ‘색-중성 조합’을 이룬다. 이 조합은 여러 가지 색이 모이면 서로 상대되어 백색광이 되는 것처럼 쿼크와 반쿼크의 강력 전하가 상쇄되는 조합이다. 색-중성 조합에는 두 가지 유형이 있다. 안정적인 강입자는 쿼크와 반쿼크의 조합으로 구성되거나. 서로 결합된 3개의 쿼크로 구성된다. 예를 들어 파이온에는 쿼크와 반쿼크가 1개씩 짝을 이루고 있고, 양성자와 중성자는 3개의 쿼크가 한데 묶여 있다.
강입자 내부에서 쿼크들의 강력 전하는 서로 상쇄되어 사라진다. 이 입자들은 강력을 전달하는 글루온에 의해 엄청나게 강하여 묶여 있어 양성자와 중성자가 깨지는 것은 상당히 어렵다.
양성자의 경우에는 2개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 이루어진다. 서로 다른 유형의 쿼크는 서로 다른 전기 전하를 갖는다. 업 쿼크의 전기 전하는 +2/3이고 다운 쿼크의 전기 전하는 –1/3이므로 양성자의 전기 전하는 +1이다. 중성자의 경우는 1개의 업 쿼크와 2개의 다운 쿼크를 가지기 때문에 전기 전하는 0이다.
고에너지 충돌에서 쿼크가 만들어질 때, 그들은 아직 강입자로 결합되지 않은 상태이지만 그렇다고 해서 쿼크가 따로 분리된 상태로 존재하는 것도 아니다. 쿼크는 다른 쿼크나 글루온과 함께 있으며 이러한 조합은 강력 아래에서 전체 전하를 중성으로 만든다. 쿼크는 결코 혼자서 자유롭게 나타나지 않으며 강한 상호 작용을 하는 여러 입자에 둘러싸여 있다. 입자 실험은 홀로 고립된 쿼크가 아니라 한 방향으로 움직이는 쿼크와 글루온으로 구성된 입자 무리를 기록하는 것이다.
쿼크는 양성자 안에 단단하게 박힌 점으로 생각할 수 있다. 실험에서는 고에너지 전자를 쏴서 광자를 방출시키고 그 광자를 쿼크에 충돌시켜 쿼크가 튀어나오게끔 할 수 있다.
스탠퍼드 대학교의 선형 입자 가속기에서 이루어진 프리드먼-켄들-테일러의 소위 ‘심층 비탄성 산란’ 실험은 이 원리에 따른 효과를 기록함으로써 쿼크의 존재를 입증할 수 있었다. 이 실험은 전자가 양성자와 충돌하고 어떻게 산란하는지를 명확히 보여줌으로써 쿼크가 실제로 존재한다는 실험적 증거를 최초로 이루어냈다. 이 발견으로 제롬 프리드먼(Jerome Friedman)과 헨리 켄들(Henry Kendall) 그리고 리처드 테일러(Richard Taylor)는 1990년 노벨 물리학상을 수상하였다.
