[Aether 물리] #17 전하량, 메손, 바리온

etainclub (79)Beyond Reality Researcherin Korea • 한국 • KR • KO • 6 years ago

매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.

전하량

각각 기본입자는 전하를 가지고 있습니다. 원래는 전자의 전하를 기본으로 해서 기준을 삼았는데, 나중에 발견된 쿼크는 전자의 전하보다 작아서 잘못된 기준이 돼버렸습니다. 그래서 전자의 전하는 -1이고, up/charm/top 쿼크의 전하는 2/3, down/strange/bottom 쿼크의 전하는 -1/3입니다.

양성자는 up 쿼크 두 개와 down 쿼크 한 개로 구성되어 있습니다. 그래서 양성자의 전하를 계산해 보면, 2/3 +2/3 + (-1/3) = +1입니다. 그래서 전자 한개와 양성자는 안정 상태가 됩니다. 그런데 원자핵의 질량이 양성자의 질량으로는 설명이 안되는 것이 발견됩니다. 그래서 원자핵이 양성자뿐만 아니라 중성자도 있다는 것이 밝혀졌습니다.

위 그림은 헬륨의 원자핵을 보여줍니다. 가운데 원자핵에서 빨간색이 양성자이고, 파란색이 중성자입니다. 중성자는 양성자보다 약간 무겁습니다. 중성자는 up 쿼크 1개와 down 쿼크 2개로 구성되어 있습니다. 이것도 전하량을 계산해보죠. 2/3 +
2*(-1/3) = 0. 중성자의 전하량은 0입니다. 중성자라는 그 의미 그대로 전하량이 중성, 즉 0입니다.

정말 중성인지, 아니면 중성으로 만들기 위해 구성물을 끼워 맞춘걸지도요. 그냥 그런 생각이 드네요. (참고 책에서는 중성자의 전하량이 0인 것이 절묘하다는 표현을 썼습니다. 절묘한 것인지, 맞춘 것인지..)

그런데 쿼크를 강력하게 붙잡아 두기 위해 글루온이 필요한데, 글루온은 어디 있는 것일까요? 글루온의 질량도 0으로 되어 있습니다. 계속 질량이 없다는 것 때문에 신경이 쓰입니다. 쿼크들을 강력하게 붙잡아 둬야 하는데, 질량은 없는데 가능할까라는 생각이 자꾸 듭니다. 다행히? 글루온의 전하도 0입니다.

결국, 원자핵의 전하량은 양성자에 의해서 결정됩니다.

반입자 (antiparticle)

반입자? 이게 뭘까요? 입자에 반대되는 것? 어감이 좀 이상해서 감 잡기 어려운데, 입자의 전하량이 반대가 되는 입자를 반입자라고 합니다. 그렇다고 반전입자라고 하기에도 좀 그렇네요. 의미는 더 분명해지겠지만요.

반입자는 입자에 비해 매우 드물게 존재합니다. 지구상에는 거의 볼 수가 없는데, CERN에서 인위적으로 반입자(반수소)를 생성했다고 합니다. 반물질은 반입자들로 구성된 물질을 의미합니다. 반물질이라고 하면 물질이 아닌 것처럼 느껴지는데, 반물질도 물질인데, 그것을 구성하는 요소가 입자의 전하량과 반대가 되는 반입자들인 것입니다.

만약 입자와 반입자가 만나면 쌍소멸현상에 의해 매우 큰 에너지가 발생합니다. 이것은 E=mc^2에 의한 것인데, 질량을 가진 입자, 반입자가 질량이 없는 광자와 감마파로 변환되면서 없어지는 질량만큼 에너지가 생성되기 때문입니다. 이상적으로는 반입자를 잘 모아 두었다가 필요할 때 입자와 쌍소멸시켜서 엄청 큰 에너지를 얻을 수 있습니다. 문제는 반입자는 매우 빨리 (0.127초) 소멸됩니다. 소멸되지 않게 잡아 두는 기술이 중요하게 됩니다. CENR에서 반수소를 1,000초 잡아두는 기술을 개발했다는 연구도 있습니다!

그런데 왜 세상에는 반입자는 거의 없을까요? 반입자가 입자만큼 많았다면 쌍소멸로 엄청난 에너지가 뿜어져 나왔겠군요. 그러면 생명체가 생존할 수 없는 환경일거구요. 어떤 힘에 의해서 그러한 에너지 폭발을 거쳐 입자가 다수인 세상이 만들어진 것일까요?

세상에는 남자/여자, 하늘/땅, 부자/거지 등만 음양이 있는 것이 아니라 물질을 구성하는 최소 입자들에게도 입자/반입자의 음양이론이 적용됩니다!

광자나 글루온은 전하량이 0입니다. 그리고 중성미자(뉴트리노)도 이름 그래도 중성이라 전하량이 0입니다. 이들은 입자와 반입자가 같습니다. 똑같이 전하량이 0이지만 경우에 따라서 반입자가 필요한 때가 있다니.. 신기할 따름입니다. 기본입자의 개수가 17개로 했지만, 사실은 이들의 반입자는 포함시키지 않은 수치입니다. 물질을 구성하는 기본입자 수가 늘어나는 것은 물리학자를 포함해서 모두에게 좋지 않아 보이네요.

그리고 전자는 전하량이 -1인데 이것의 반대 전하를 가진 것을 반전자라고 하지 않고, 양전자(positron)으로 부릅니다. 이 녀석만 좀 특이하죠. 애초에 양전자를 전자로 이름짓지 않은 이유는 전자 먼저 발견되고 흔하기 때문일 것입니다.

중간자 (메손, meson)

아 뭔가 또 있습니다. 중간자. 이 녀석도 참 이름만으로 유추하기가 어렵습니다. 중성자, 중성미자, 중간자... 물리학자들이 이름짓기 어렵겠다는 것이 느껴집니다. 중간자라고 하면 의미가 불명확해서 메손이라고 하겠습니다. 그래야 중간자라고 하는 단어에 오는 혼동을 없앨 수 있습니다. 그런데 중간자라는 이름은 중간자의 질량이 양성자와 전자의 "중간"이라서 그런 이름이 생겼습니다.

메손은 쿼크 입자 1개와 이의 반입자인 반쿼크 입자 1개가 만나서 만들어지는 합성입자 입니다. 이들은 up 쿼크 1개와 반 up 쿼크 1개로 되어 있는데, 이들의 전하량을 합치면 2/3 + (-2/3) = 0이 됩니다.

메손은 전하량을 띄기도 합니다. 파이 메손(pi meson)을 파이온이라고 하는데 파이+, 파이0, 파이-로 세 종류가 있습니다. 그리고 케이온이라는 메손도 있습니다! 어휴 끝이 없네요.

물리학자들이 실험을 하다보니 양성자, 중성자와 비슷한 입자들이 무수히 많이 발견되어서 매우 난처했었습니다. 뭔 놈의 입자들이 이렇게 많은지 골치가 아팠거든요. 그런데 쿼크가 발견되고, 이것들이 서로 다른 쿼크 조합의 합성 입자라는 것으로 안도의 한숨을 내쉬었습니다.

중입자 (Baryon, 바리온)

헉! 또 있다! 무거운 입자라는 의미의 바리온은 쿼크로 구성된 양성자와 중성자를 나타내는 용어입니다. 새로운게 아니라 쿼크로 구성된 양성자, 중성자를 묶어서 바리온이라고 부르는 것이죠. 바리온은 현재 무려 160종류가 발견되었습니다.

그 중에서 잘 알려진 20종의 바리온은 스핀이나 질량 분포 등 여러 특성을 공유하는데, 아래 그림과 같이 정사면체(tetrahedron)로 표현할 수 있습니다. 정사면체나 나중에 설명할 이더 물리에서 매우 중요하니 잘 기억해두세요~
노벨상 수상자 머레이 겔만(murray gell-mann)은 쿼크들의 조합을 하나의 멋진 기하 패턴으로 만들고 싶어했습니다. 그의 모델을 그림으로 그리면 아래와 같이 정사면체의 피라미드 구조가 됩니다.
참고. https://www.cosmic-core.org/free/article-124a-quantum-physics-part-3-geometry-of-subatomic-particle-interactions/

쿼크라는 이름도 바로 머레이 겔만이 붙인 것입니다. 겔만보다 더 유명한 리처드 파인만은 부품이라는 의미로 파톤(parton)을 제시했는데 겔만한테 밀렸습니다. 물리학자들은 고상한 것을 좋아하는 습성이 있으니까요. 쿼크라는 이름은 겔만이 먼저 발음만 생각해 두고, 한 소설에서 quark라는 것을 보고 quark로 정했습니다.

파인만은 여자를 엄청 대놓고 밝혔다고 합니다. 점심을 스트립바에 가서 먹고, 봉고 연주를 사랑했다고 하여 다음과 같은 다이어그램도 생겼습니다.

What Would Richard Feynman Do?