[Aether 물리] #14 물질을 만드는 기본입자 - 페르미온
매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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소립자는 크게 두 부류로 나뉩니다. 하나는 물질을 만드는 부류인 페르미온, 다른 하나는 힘을 전달하는 부류인 보손입니다. 참고 책은 2013년 이전에 쓰여져서 힉스 보존이 발견되기 전 내용만 있습니다. 2013년 10월, 드디어 50년간 찾아 헤매던 힉스 보손이 발견되었습니다. 힉스 보손은 17개의 기본입자 중 하나인데, 존재할 것이라고 50년 전에 예측되었지만, 최근에 발견된 것입니다. 이 힉스 보손은 기본입자에 (관성)질량을 부여하는 입자입니다.
힉스 보존을 보통 God Particle, 신의 입자라고 해서 뭔가 남다른 의미가 있는 것 같지만, 사실 Goddamn Particle (빌어먹을 입자)로 이름을 붙였는데, 관련 책 출판사에서 수정했다고 합니다. 아마도 입자가 존재할 것으리고 예측되는데 발견이 안돼서 짜증나서 그런 이름을 붙였던게 아닌가 합니다.
물질을 만드는 소립자
물질을 만드는 소립자를 페르미온(fermion)이라고 부릅니다. 헷갈릴 수 있는데, 페르미온은 기본입자의 집합을 의미합니다. 물질을 만드는 기본입자들의 집합 이름입니다.
가만 보면 입자들의 이름이 ~온(on)으로 끝나는 게 많습니다. 일렉트론, 뮤온. 포톤 등. 페르미온은 기본입자 그룹을 지칭하는 말이긴 하지만 여기도 ~온이 붙었습니다. 온(~on)은 그리스어로 남성명사에 따라옵니다. 이렇게 이름을 붙이는 이유는 뭔가 고급스러운 느낌이 나나 봅니다.
페르미온은 기본입자를 지칭하는 것이 아닌데 ~온이 붙어 있습니다. 이름은 붙이기 나름이니까요.
물질을 만드는 기본입자는 또다시 2 개의 그룹을 나뉩니다. 쿼크와 렙톤입니다. 아래 그림처럼 쿼크는 6 종류, 렙톤도 6종류가 있습니다. 여기서 쿼크 입자들은 up 쿼크, down 쿼크 이렇게 무슨 무슨 쿼크라고 부르지만, 렙톤은 그룹이름으로만 사용합니다. 렙톤에는 앞에서 소개한 전자, 뮤온 등이 있습니다. 이름 때문에 헷갈리는 일이 없길 바랍니다.
스핀
위 표를 보면 페르미온 입자들의 왼편에 1/2 라고 표시되어 있습니다. 이것은 스핀을 의미합니다. 스핀이라는 게 입자의 특성이라고 하는데 개념 잡기가 어렵습니다.
기본입자는 생성되는 순간부터 어떤 속도로 회전할지 이미 정해져 있다고 합니다! 물리학자들은 이 사실을 그냥 넘어가는가 봅니다. 저는 왜 입자들이 회전을 하고, 어떻게 계속 회전을 하는 것인지 궁금합니다. 책에서도 그냥 기본입자들은 생성 순간부터 회전을 한다고만 하고 이유가 없습니다.
어쨌든 페르미온 입자들의 회전 속도, 즉 스핀값은 1/2로 같습니다. 그런데 이 개념이 좀 골치아픕니다. 찾아보면 말은 스핀이라고 하고 입자의 고유 각운동량을 나타낸다고 하지만, 입자는 어떤 축을 중심으로 고정적으로 회전하지 않는다고 합니다. 이게 무슨 말일까요?
이게 좀 복잡합니다. 베타원리를 찾아넨 파울리는 원자 주변을 도는 전자에 대해 두 개의 상태를 갖는 자유도를 부여했습니다. 이게 스핀입니다. 그런데 개념적으로 입자의 자전에 의한 각운동량으로 봐도 무방하다는 것이 현대적 설명입니다. 기본입자의 스핀이라는 특성을 고전 물리학적 개념으로 표현할 수가 없는 것이라고 합니다. 즉 고전물리학에는 없는 개념인 것이라서, 이해를 돕기 위해 자전에 의한 회전이라고 표시하는 것입니다. 아마 나중에 양자역학, 파울리의 베타원리를 다룰 때 좀 더 생각해 볼 기회가 있을 것입니다.
쿼크
쿼크는 합성입자인 양성자와 중성자를 구성하는 기본입자입니다. 각 쿼크는 짝궁이 있습니다. up 쿼크의 짝궁은 down 쿼크이고, top 쿼크의 짝궁은 bottom 쿼크입니다. charm 쿼크의 짝궁은 strange 쿼크입니다. up과 down, top과 bottom은 짝을 이루는 단어로 되어 있는데, charm과 strange는 좀 다르 느낌입니다.
영화 좋은 놈, 나쁜 놈, 이상한 놈처럼 이상한(strange)는 어디에도 속하지 않는 그런 느낌인데 말이죠.
이름은 그냥 이름일 뿐입니다. 붙이는 사람 마음이죠.
이들 쿼크 짝궁을 잘 보면 구별되는 점이 있습니다. 위 기본입자표에서 보면, 각 짝궁들의 질량을 보면 오더가 다릅니다. top-down이 가장 가볍고, top-botton이 가장 무겁습니다. 이렇게 특성이 구별되는 것들을 짝궁으로 모아서 이름을 붙인 것이죠.
또 표에서 전하값인 charge를 보면 특이한 점이 보입니다. up, charm, top의 경우 charge가 2/3이고, down, strange, bottom의 경우는 -1/3입니다. 기본전하보다 전하값이 작은 것도 특이하고, 2/3, -1/3로 3등분으로 나눠지는 것도 특이합니다. 왜 이런걸까요? 물리학자들도 이 부분에 대해서는 명쾌한 답을 못하는 거 같습니다.
여기서 잠깐
이더 물리에서는 이와 같은 전하값이 기하학적 특성에 기인한다고 설명합니다. 1/3인 이유는 기하 구조가 삼각형이라는 것을 얘기하는거 같습니다.
렙톤
렙톤은 그리어로 가볍다라는 렙토스에서 따왔습니다. 아래표를 보면 질량이 쿼크에 비해 가볍다는 것을 알 수 있습니다. 모두가 가벼운 것은 아닙니다. 뮤온은 up, down, strange 쿼크보다 무겁습니다. tau는 뮤온보다 더 무겁고요. 질량 단위에 M는 millions을, G는 giga를 의미합니다.
스핀값을 보면 1/2입니다. 물질을 만드는 기본입자인 페르미온의 스핀은 모두 1/2입니다.
전자(electron)로 렙톤에 속합니다. 질량은 이전글에서 계산했던대로 표시되어 있네요. 전자, 뮤온, 타우 아래에는 이들의 뉴트리노(neutrino, 중성미자)가 나타나 있습니다. 표시도 V_e, V_u, V_t로 뉴트리노를 의미하는 V가 쓰이고 있는게 좀 다르네요. 뉴트리노는 작은 중성자라는 뜻입니다. 뉴트론이 아니라 뉴트리노가 된 이유는 이미 원자핵을 구성하는 중성자(뉴트론)가 그 이름을 선점했습니다. 그래서 어쩔 수 없이 이탈리어에서 작음 뜻하는 접미어 -ino를 가져와서 뉴트리노라는 이름을 만들었습니다.
뉴트리로의 이름에서도 나타났듯이 이들의 전하는 중성입니다. 어떤 전하량도 띄지 않는 것이죠. 중성자가 붕괴될 때 양성자가 검출되는데, 어째 질량 보존의 법칙에 어긋나게 됐습니다. 그래서 파울리가 다른 뭔가가 같이 방출되는 거 아니냐 하고 제안했고, 그게 뉴트리노입니다. 이처럼 물리학의 발전은 예상을 하고, 그게 실험으로 확인되어야 비로소 정설로 자리잡게 됩니다. 뉴트리노도 파울리가 죽기 전에 검출되었습니다.
다시 한번 물리학자들은 정설로 믿어지는 "법칙"이라고 하는 것들을 철저히 믿는 거 같습니다. 대신 그러한 법칙위에서 말도 안되는 논리 전개를 하기도 하지만요. 뭔가 그래도 되나 싶은 생각이 드네요.
참고
소립자 물리학은 다음 책을 참고하였습니다.