대칭성, 근본적인 조직화 원리
표준 모형은 상당히 잘 맞는 것처럼 보인다.
하지만 이는 쿼크, 경입자, 약력 게이지 보손이 모두 표준 모형 내에서 질량을 갖기 때문이다.
물론 기본 입자의 질량은 우주 만물에 있어 매우 중요하다.
만약 물질들이 정말로 질량을 갖지 않는다면, 우리가 보는 것 같은 형태를 가진 물체나 구조도 없을 것이고 생명체들도
결코 만들어지지 못했을 것이기 때문이다.
하지만 가장 간단한 힘 이론에서 약력 게이지 보손과 다른 기본 입자들은 마치 질량이 없고 빛의 속도로 움직이는 것
처럼 보인다.
힘 이론이 질량이 없는 경우를 선호한다는 것이 이상하게 보일 수 있다.
왜 질량이 있으면 안 될까?
하지만 힘을 다루는 가장 기본적인 이론인 양자장 이론은 이 문제에 있어서는 타협의 여지가 없다.
표면적으로 양자장 이론에 따르면, 표준 모형의 기본 입자들은 질량이 0 이어야 한다.
즉 질량이 없어야 한다.
표준 모형의 성과 중 하나는 양자장 이론의 이 문제를 해결하고 입자가 우리가 실험으로 측정한 질량을 갖는다는 것을
이론적으로 설명해 준다는 데에 있다.
대칭성과 대칭성 깨짐은 미분화 상태의 우주가 어떻게 우리가 알고 있는 복잡한 구조를 가진 우주로 진화했는지를
결정하는 데 도움을 준다.
힉스 메커니즘은 처음에는 대칭성, 특히 깨진 대칭성과 관계가 깊다.
기본 입자가 어떻게 질량을 얻는지를 이해하려면 대칭성이라는 중요한 개념에 어느정도 익숙해질 필요가 있다.
변하지만 변하지 않는 것
대칭성을 가진 물체는 몇 가지 조작을 해도, 예를 들어 회전시키거나, 거울에 비춰 보거나, 한 부분을 바꿔치기해도
처음과 같은 모양을 갖는다.
수학에서든 물리학에서든 세상에서든, 대칭성이 있다면 변화가 전혀 없는 것처럼 변화시킬 수 있다.
당신이 뒤돌아 서 있을 때 누군가 그 구성 요소를 바꾸어 놓아도, 다시 봤을 때 그 차이를 눈치채지 못한다면 그것은
대칭성을 가진 계인 것이다.
대칭성은 대개 정적인 성질이다.
하지만 물리학자들은 대체로 ‘대칭 변환’, 즉 관측 가능한 성질에 변화를 일으키지 않고 계에 가할 수 있는 조작이라는
상상적인 관점에서 대칭성을 기술하고 싶어 한다.
예를 들면, 물리학자들은 “촛대에 꽂힌 초들이 동등하다.” 라고 말하기보다는 “두 초를 바꿔 놓아도 촛대는 똑같아
보인다.”라고 말하려고 한다.
촛대가 대칭성을 가지고 있다는 것을 주장하기 위해서 실제로 초를 바꿀 필요는 없다.
하지만 만약에 초를 바꿔 놓더라도 그 차이를 알아차릴 수는 없을 것이다.
물리학의 목표는 서로 다른 물리량들을 연관지어 관측에 기반한 예측을 하는 데에 있다.
이 과정에서 대칭성은 자연스럽게 어떤 역할을 한다.
물리계가 대칭을 갖고 있다면, 그렇지 않을 때보다 더 적은 관측값에 기초해 계를 기술할 수 있다.
예를 들어 보자.
동일한 성질을 갖는 두 물체가 있을 때, 한 물체의 움직임을 이미 측정했다면 곧바로 나머지 하나의 움직임을 지배하는
법칙도 알 수 있다.
두 물체가 동일하기 때문에 그 물체도 같은 식으로 움직일 것이기 때문이다.
물리학에서 한 계 안에 대칭 변환이 존재한다는 것은 관측 가능한 모든 물리적 성질이 바뀌지 않게 계의 구성 요소를
재배열할 수 있음을 의미한다.
예로, 공간 대칭성의 유명한 예인 ‘회전 대칭성’과 ‘병진 대칭성’을 가진다면, 물리 법칙은 모든 방향과 모든 지점에서
동일하게 적용될 것이다.
물리 법칙에서 대칭성의 중요함은 아무리 강조해도 지나치지 않다.
맥스웰의 전기 역학 법칙이나 아인슈타인의 상대성 이론 등 여러 물리학 이론은 대칭성과 깊은 관련이 있다.
일반적으로 여러 가지 대칭성을 이용하면 물리적인 예측을 위한 이론적인 계산을 쉽게 할 수 있다.
예를 들어 행성의 궤도 운동, 우주의 중력장, 전기장에서 입자의 움직임, 그리고 수많은 다른 물리량은 대칭을 고려
하면 수학적으로 더 단순해진다.
내부 대칭성
물리학자들은 보통 대칭성을 여러 가지로 분류한다.
당신이 가장 잘아는 것은, 아마도 사물을 공간에서 움직이거나 회전시키는 대칭 변환에 대한 대칭성, 즉 공간 대칭성
일 것이다.
어떤 계가 회전 대칭성과 병진 대칭성이라는 공간적 대칭성을 갖고 있다면, 그 계가 어느쪽을 향하든지 또 어디에
위치하든지 동일한 물리 법칙이 적용된다.
공간 대칭성과 다른 대칭성으로는 ‘내부 대칭성(internal symmetry)’을 들 수 있다.
공간 대칭성이 모든 방향과 모든 위치에서 물리 법칙이 동일할 것을 지시하는 반면, 내부 대칭성은 서로 구분이 가지
않는 복수의 대상에 물리 법칙이 동일하게 적용되어야 한다고 지시한다.
다시 말하면, 내부 대칭 변환은 서로 별개인 사물을 알아차리기 어려운 방법으로 교환하거나 섞는것이다.
위에 초를 바꿔 놓을 수 있다는 예까 바로 이것이다.
내부 대칭성은 두 초가 동등함을 의미한다.
이것은 초에 대한 진술이지 공간에 대한 진술이 아니다.
물론 이 경우에는 공간 대칭성과 내부 대칭성이 동시에 성립된다.
각기 다른 두 초가 동등하다는 점에서 내부 대칭성이, 또한 중앙의 초를 기준으로 180도를 회전시켜도 동일하게 보인
다는 점에서 공간 대칭성이 성립된다.
하지만 내부 대칭성은 공간 대칭성이 없는 경우에도 존재할 수 있다.
예를 들어 똑같은 초록색 타일들을 모아 그린 나뭇잎 모자이크화가 있다고 해 보자.
나뭇잎의 모양이 불규칙해서 공간 대칭성을 찾을 수 없더라도, 내부 대칭성은 존재한다.
초록색의 타일을 서로 바꾸더라도 나뭇잎 그림은 바뀌지 않기 때문이다.
내부 대칭성의 또 다른 예는 바꿔치기 할 수 있는 2개의 동일한 붉은 구슬이다.
당신이 양손에 구슬을 하나씩 쥔다고 해 보자.
어떤 손으로 어떤 구슬을 쥐었든 아무런 차이가 없다.
설령 당신이 1번, 2번이라고 구슬에 이름을 붙이더라도, 그 두 구슬이 서로 바뀌었는지 알기 어려울 것이다.
구슬의 예는 초나 모자이크와 타일처럼 공간적인 배열에 얽매여 있지 않다는 점에 주목해야한다.
즉 내부 대칭성은 대상 자체와 관련이 있지 그 대상의 위치와는 무관한다.
내부 대칭성은 입자와 이 입자를 생성하는 장에 호환성을 부여한다.
똑같이 생긴 빨간 구슬이 2개 있다고 하자.
어느 쪽을 택해서 굴리거나 벽에 던지더라도 구슬은 똑같이 움직일 것이다.
마찬가지로 동일한 전하와 질량을 갖는 두 입자가 있다면, 이 둘은 동일한 물리 법칙을 따를 것이다.
이러한 대칭성을 ‘향 대칭성(flavor symmety)’이라고 한다.
향이란 전하가 같은 세 종류의 입자 형태를 가리킨다.
이 입자 형태는 각각 세 가지 세대에 속한다. 예를 들면 전자와 뮤온은 전하를 띤 경입자의 두 향에 해당한다.
이는 전자와 뮤온이 서로 동일한 전하를 가짐을 의미한다.
만약 우리가 전자와 뮤온의 전하는 물론 질량까지도 동일한 세상에서 산다면, 이 둘을 서로 바꿔치기하더라도 세상은
이전과 완벽하게 동일한 모습을 유지할 것이다.
그런 경우 ‘향 대칭성’이 성립한다고 할 수 있다.
그에 따라서 전자와 뮤온은 다른 입자나 힘에 동일하게 반응할 것이다.
그러나 뮤온은 전자보다 무겁다.
그래서 향 대칭성은 완벽하지 않다.
내부 대칭성의 예를 또 하나 들면, 빨간색, 초록색, 파란색의 세 가지 색의 빛을 더해서 백색광이 만들어진다.
세 광원의 위치를 바꾸고 빛을 합쳐도 여전히 동일한 백색광이 만들어질 것이다.
백색광을 얻는 것에만 관심이 있다면, 각 광원의 위치가 어디인가는 문제될 것이 없다.
이 경우 빛의 위치를 교환하는 내부 대칭 변환은 결코 관측 가능한 변화를 낳지 않는다.
빛의 예는 힘과 관련된 대칭성과 매우 유사하다. 둘 다 모든 것을 관측하는 것이 아니기 때문이다.
조명 장치가 대칭성을 갖는 것은 우리가 모든 것을 보는 것이 아니라 최종적으로 혼합된 빛만을 보기 때문이다.
만일 여러분이 각각의 빛 하나하나를 개별적으로 볼 수 있었다면 광원의 위치가 서로 바뀌었음을 알아차릴 것이다.
앞에서 설명했듯이, 이처럼 빛과 힘 사이에 유사성이 있기 때문에 강력을 기술할때 ‘색’과 ‘양자 색역학’이라는 용어를
쓰게 된 것이다.
1927년, 물리학자 프리츠 런던(Fritz London)과 헤르만 바일(Hermann Weyl)은 가장 단순한 형태의 힘의 장에 대한 양자
이론을 내놓았는데, 이 이론에서 힘이 빛의 합성과 유사한 내부 대칭성을 가지고 있음을 보여 주었다.
쿼크와 강력
양성자의 구성 요소는 강력으로 한데 묶여 있는데 보통의 방법으로는 결코 이것을 서로 떼어낼 수 없다.
강력은 ‘양자 색역학(quantum chromodynamics, QCD)’이라는 이론으로 기술된다.
강력은 게이지 보손 교환으로 설명 가능한 표준 모형의 마지막 힘으로 20세기가 되어서야 겨우 발견되었다.
강력을 전달하는 강력 게이지 보손은 글루온(gluon) 이라고 부르는데, 이 입자들이 강력으로 상호 작용하는 입자들을
강력하게 한데 묶는 힘을 전달 하기 때문에 이런 이름이 붙었다.
강입자(하드론, hadron)들은 전자보다 훨씬 더 무겁다.
이들의 질량은 전자보다 2,000배 무거운 양성자와 거의 비슷하다.
강입자가 무척 다양하다는 것은 풀리지 않는 수수께끼였다.
물리학자 머리 겔만(Murray Gell-Mann)은 1960년대에 수많은 강입자는 기본 입자가 아니며 그 대신 그가 ‘쿼크(quark)’
라고 이름 붙인 입자들이 한데 모인 입자라는 이론을 제안함으로써 이 문제를 해결했다.
겔만은 세 종류의 쿼크(현재는 업 쿼크, 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크가 있다)가 있고, 수많은 강입자들은 이 쿼크들을
조합하면 만들 수 있다고 제안했다.
만약 그의 제안이 맞다면, 강입자는 예측 가능한 패턴으로 깔끔하게 정리되어야 했다.
겔만은 자신이 쿼크를 처음 제안했을 때, 그 존재를 실제로 믿은 것은 아니었다.
그럼에도 그의 제안은 대담한 것이었다.
예언된 강입자들 중 발견된 것은 극히 일부였기 때문이다.
그래서 미발견된 강입자가 발견됨으로써 쿼크 가설이 확립된 것은 그에게는 대단한 성공이었다.
이를 토대로 겔만은 1969년 노벨 물리학상을 수상했다.
각 쿼크는 세 종류로 분류된다.
물리학자들은 여기에 세 가지 색이름, 빨강, 초록, 파랑을 붙였다.
이렇게 색을 갖는 쿼크는 항상 다른 쿼크나 반쿼크와 결합해 색이 중성이 되는 ‘색-중성 조합(color-neutral combination)’
을 이룬다.
이 조합은 여러 가지 색이 모이면 서로 상쇄되어 백색광이 되는 것처럼 퀴크와 반쿼크의 강력 전하(strong force charge)
가 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 사라지는데, 이는 원자 내부에서 양성자의 양전하와 전자의
음전하가 상쇄되는 것과 마찬가지다.
하지만 원자가 쉽게 이온화되는 데 반해, 양성자나 중성자가 깨지는 것은 무척 어렵다.
이 입자들은 강력을 전달하는 글루온에 의해 엄청나게 강하게 묶여 있기 때문이다.
양성자와 중성자는 쿼크 3개의 조합으로 이루어지며 강력 전하는 서로 상쇄된다.
양성자는 2개의 업 쿼크와 하나의 다운 쿼크로 이루어진다.
서로 다른 유형의 쿼크는 서로 다른 전기 전하를 갖는다.
업 쿼크의 전기 전하가 +2/3이고 다운 쿼크의 전기 전하가 -1/3이므로 양성자의 전기 전하는 +1이다.
반면 중성자는 1개의 업쿼크와 2개의 다운 쿼크를 가지기 때문에(-1/3-1/3+2/3=0) 전기 전하가 없다.
쿼크는 크고 걸쭉한 양성자 안에 단단하게 박힌 점으로 생각할 수 있다.
쿼크는 매트리스 속의 완두콩처럼 양성자나 중성자 안에 파묻혀 있다.
말괄량이 공주가 매트리스에 뛰어들어 생긴 작은 명으로 완두콩을 찾아내듯이, 적극적인 실험가는 고에너지 전자를
쏴서 광자를 방출시키고 그 광자를 쿼크에 충돌시켜 그 쿼크가 튀어나오게끔 할 수 있다.
스탠퍼드 선형 가속기 연구소(Stanford Linear Accelerator Center, SLAC) 에서 이루어진 프리드먼-켄들-테일러의 ‘심층
비탄성 산란(deep inelastic scattering)’ 실험은 이 원리에 따른 효과를 기록함으로써 쿼크의 존재를 입증했다.
이 실험은 전자가 양성자와 충돌하고 어떻게 산란하는지를 명확히 보여 줌으로서 쿼크가 실제로 존재한다는 실험적
증거를 최초로 제시했다.
이 발견으로 제롬 프리드먼(Jerome Fridman)과 헨리 켄들(Henry Kendall) 그리고 리처드 테일(Richard Taylor)는 1990년
노벨 물리학상을 받았다.
고에너지 충돌에서 쿼크가 만들어질 때, 그들은 아직 강입자로 결합되지 않은 상태이지만, 그렇다고 쿼크가 따로 분리
된 상태로 있는 것도 아니다.
쿼크는 언제나 다른 쿼크나 글루온과 함께 있으며 이러한 조합은 강력 아래에서 전체 전하를 중성으로 만든다.
쿼크는 결호 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.
한 방향으로 움직이는 쿼크와 글루온으로 이루어진 입자 덩어리를 ‘제트(jets)’라고 부른다.
한번 에너지가 높은 제트가 만들어지면, 이 제트는 로프처럼 절대로 사라지지 않는다.
로프를 잘라도 새로운 로프 2개가 생기는 것처럼, 상호 작용에 의해 제트가 분리되어도, 각 조각은 새로운 제트를 형성
할 뿐이다.
각 제트들은 결코 쿼크나 글루온으로 따로 떨어지거나 분리되지 않는다.
지금까지 알려진 기본 입자들
입자 물리학자들은 표준 모형의 입자를 쿼크나 경입자, 즉 ‘렙톤(lepton)’으로 분류한다.
쿼크는 강력의 작용을 받는 페르미온이다.
경입자는 강력의 작용을 받지 않는 페르미온이다.
전자와 중성미자는 경입자에 속한다.
‘렙톤’이라는 말은 ‘작음’과 ‘세밀함’을 뜻하는 그리스 어 ‘렙토스(leptos)’에서 유래했으며, 전자가 너무나 가볍다는 것을
의미한다.
기이한 것은 원자 구조에 필수적인 전자나 업 쿼크, 다운 쿼크 같은 입자뿐만 아니라, 앞에서 소개했듯이 전자나 쿼크
보다 훨씬 무겁지만 그와 동일한 전하를 갖는 또 다른 입자들이 있다는 점이다.
무척 가볍고 안정적인 쿼크와 경입자는 모두 묵직한 복사본을 갖는다.
왜 그런 무거운 입자가 있는지, 그것이 어디에 쓸모가 있는지는 아무도 모른다.
뮤온은 전자와 마찬가지로 음으로 대전되었지만 전자보다 훨씬 무거우며 전자로 붕괴될 수 있다.
즉 뮤온은 불안정한 입자이며 빠르게 전자로 변환된다.
표준 모형에서 동일한 전하를 갖는 입자 집합은 세 부류로 정리된다.
각 부류는 ‘세대(generation)’, 또는 때로 ‘족(family)’ 이라고 불린다.
1세대 입자는 스핀이 왼쪽인 전자와 스핀이 오른쪽인 전자, 스핀이 왼쪽인 업 쿼크와 스핀이 오른쪽인 업 쿼크, 스핀이
왼쪽인 다운 쿼크와 스핀이 오른쪽인 다운 쿼크 그리고 스핀이 왼쪽인 중성미자를 포함한다.
1세대 입자는 원자를 구성하는 안정된 것들 모두에 들어 있다.
2세대 입자와 3세대 입자는 붕괴되는 입자들에 포함되어 있으며 ‘보통’의 알려진 물질에는 들어 있지 않다.
이 입자들은 1세대 입자의 정확한 복사본이 아니다.
이 입자들은 1세대 입자와 동일한 전하를 갖지만 더 무겁다.
이들은 고에너지 입자 가속기에서만 만들어지며 그 존재 목적 또한 여전히 모호하다.
2세대 입자는 스핀이 왼쪽인 뮤온과 스핀 오른쪽인 뮤온, 스핀이 왼쪽인 참쿼크와 스핀 오른쪽인 참쿼크, 스핀 왼쪽인
스트레인지 쿼크와 스핀 오른쪽인 스트레인지 쿼크 그리고 안정적인 스핀 왼쪽인 뮤온형 중성미자를 포함한다.
3세대 입자는 스핀 왼쪽인 타우와 스핀 오른쪽인 타우, 스핀 왼쪽인 톱쿼크와 스핀 오른쪽인 톱 쿼크, 스핀 왼쪽인
보텀 쿼크와 스핀 오른쪽인 보텀 쿼크, 그리고 스핀 왼쪽인 타우형 중성미자를 포함한다.
각기 다른 세대에 들어 있는 동일한 전하를 갖는 입자들을 종종 특정 유형의 향(flavor)이라고 부른다.
겔만이 쿼크를 처음 제안할 당시 향은 셋이었지만 지금은 여섯 종류의 향이 있음을 알 수 있다.
즉 3개의 ‘업 유형’과 3개의 ‘다운 유형’이 각 세대에 있는데, 업 쿼크 외에, 그와 동일한 전하를 갖는 업 유형의 쿼크로는
참 쿼크와 톱 쿼크가 있다.
마찬가지로 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크, 보텀 쿼크는 다운 유형의 쿼크들이다.
그리고 뮤온과 타우 경입자는 전자의 묵직한 형태이다.
더 무거운 향은 가벼운 향보다 훨씬 무겁다.
두 번째로 무거운 쿼크인 보텀 쿼크는 1977년에 발견되었지만, 가장 무거운 톱 쿼크는 1995년에야 발견되었다.
중요 요약
표준 모형은 중력을 제외한 힘과 그 힘을 경험하는 입자로 구성된다.
표준 모형이 다루는 힘은 전자기력 그리고 원자핵 내부에서 작용하는 두 힘인 강력과 약력이다.
약력은 표준 모형에서 여전히 풀리지 않는 가장 중요한 의문을 제기한다.
다른 두 힘이 질량이 0인 입자에 의해 전달되는 반면, 약력은 질량을 가진 게이지 보손에 의해 전달된다는 것이다.
표준 모형은 힘을 전달하는 입자들과 이 힘의 작용을 받는 입자들을 포함한다.
표준 모형의 입자는 강력의 작용을 받는 쿼크와 그렇지 않은 경입자로 분류된다.
물질을 이루는 가벼운 쿼크와 경입자(업 쿼크, 다운 쿼크, 전자)가 알려진 입자의 전부는 아니다.
더 무거운 쿼크와 경입자도 있다. 업 쿼크, 다운 쿼크, 전자는 각각 두 가지씩의 무거운 버전을 가지고 있다.
이 무거운 입자는 불안정하며 더 가벼운 쿼크와 경입자로 붕괴된다.
하지만 입자 가속기 실험은 그 무거운 입자들이 가볍고 안정적인 입자와 동일한 힘의 작용을 받는다는 점을 보여 주었다.
대전된 경입자, 업형의 쿼크, 다운형의 쿼크로 이루어진 입자들의 각 그룹은 세대라고 한다.
세 가지 세대가 있으며, 각각의 세대는 각 입자 유형에 대한 더 무거운 버전을 포함하고 있다.
이러한 입자의 다양한 모습을 향이라고 부른다 세 가지 업형 향, 세 가지 다운형의 향, 세 가지 대전된 경입자 향, 세 가지
중성미자 향이 있다.
반입자와 양전하
양자장 이론에 따르면 각 입자들은 그에 대응하는 입자, 즉 반입자가 있어야 한다.
장 이론과 표준 모형에서 입자와 마찬가지로 반입자는 필수불가결한 존재이다.
사실 반입자는 이와 대응하는 입자와 전하가 다른다는 사실을 제외하면 입자와 동일하다.
폴 디랙은 전자를 기술하는 양자장 이론을 발전시키면서 처음으로 반입자와 만나게 되었다.
그는 양자 역학과 특수 상대성 이론을 동시에 만족시키는 양자장 이론은 반드시 반입자를 포함해야 한다는 사실을
알아냈다.
그가 일부러 반입자를 이론에 끼워 넣은 것은 아니다.
디랙이 특수 상대성 이론과 양자 역학을 결합시키자 반입자들이 튀어나온 것이었다.
반입자는 양자 역학에 상대성 이론을 결합시킨 양자장 이론의 필연적인 결과이다.
왜 특수 상대성 이론에서 반입자가 유도되는지 개략으로 살펴보면, 하전 입자는 공간에서 앞뒤로 움직일 수 있다.
특수 상대성 이론에 따르면 이 입자들은 시간상으로도 앞뒤로 움직일 수 있다고 추측할 수 있다.
하지만, 우리가 아는 한, 입자들으든 우리가 아는 어떤 것이든 시간의 흐름을 거슬러 후퇴할 수 있는 것은 실제로는
존재하지 않는다.
대신 반대 전하를 띤 반입자들이 시간을 거슬러 움직이는 입자들의 역할을 대신할 수 있다.
반입자들이 시간을 거슬러 움직이는 입자들과 동일한 효과를 냄으로써, 시간에 역행하는 입자들 없이도 양자장 이론의
예측은 특수 상대성 이론과 합치하게 되었다.
양자장 이론에서는 전하를 띤 입자가 있다면 반드시 그에 대응하여 반대 전하를 띤 반입자가 있어야 한다.
예를 들면 전자가 -1의 전하를 띠므로 양전하는 +1의 전하를 띠어야 한다.
양전자는 전하량을 제외하고는 모든 점에서 전자와 같다.
양성자도 +1의 전하를 갖지만 전자보다 2,000배나 무거운 까닭에 전자의 반입자가 될 수 없다.
스토파드의 말처럼 반입자는 입자와 충돌하면 입자를 소멸시킨다.
입자의 전하와 반입자의 전하가 더해지면 0이 되기 때문에, 입자가 반입자를 만나면 서로를 소멸시켜 붕괴된다.
입자와 반입자의 쌓은 전하량이 없기 때문에, 아인슈타인의 식 E=mc²를 따라 모든 질량은 에너지로 전환될 수 있다.
다른 한 편으로 에너지가 충분히 클 경우 에너지는 입자-반입자쌍으로 변환될 수 있다.
물리학자들은 질량이 너무 커서 보통의 물질에서는 발견 되지 않는 중입자를 연구하기 위해 고에너지 입자 가속기를
이용해 실험한다.
이 고에너지 입자 가속기에서 입자의 소멸이나 입자의 생성을 모두 관측할 수 있다.
이러한 가속기에서 입자와 반입자는 서로 만나서 소멸되며 이때 새로운 입자-반입자쌍이 생성될 수 있을 만큼 엄청난
에너지가 쏟아져 나온다.
물질, 특히 원자들이 반입자가 아니라 입자로 구성되기 때문에, 양전자와 같은 반입자는 자연에서는 대체로 발견되기
어렵다.
하지만 반입자는 입자 가속기에서 일시적으로 만들어질 수 있으며, 우주의 뜨거운 영역에서 그리고 심지어 암을 진단
하기 위해 ‘양전자 방사 단층 촬영(positron emission tomography, PET)’ 이 행해지는 병원에서 찾아볼 수 있다.
전자, 양전자, 광자는 가장 단순한 입자이자 가장 쉽게 검출할 수 있는 입자들이다.
표준 모형의 맨 처음 구성 요소가 전기력과 전자였다는 사실은 우연이 아니다.
전자, 양전자, 광자가 입자의 전부는 아니며, 전기력이 유일한 힘은 아니다.
약력과 중성미자
약력은 수많은 핵붕괴 반응에서 원인이 되는 힘이다.
하지만 크기가 미약해서 일상생활에서는 존재를 인식하긴 어렵다. 약
력은 칼륨의 동위 원소 칼륨40의 핵붕괴 와 중성자 붕괴 같은 핵붕괴에 관여한다.
핵 반응은 원자핵의 구조를 변화시키며, 이를 통해 원자핵 내부의 중서자 수가 바뀌고 어마어마한 에너지가 방출된다.
이 에너지는 원자력 발전이나 핵폭탄에 이용되기도 하지만 다른 목적에 쓰이기도 한다.
예를 들어 약력은 무거운 원소들의 생성에 도움을 준다.
무거운 원소는 격력한 초신성 폭발 과정에서 만들어진다.
또 태양을 비롯한 별이 빛을 발하는 과정에서도 약력은 필수적인 역할을 한다.
수소가 헬륨으로 전환되는 연쇄 반응이 약력에 의해 시작되기 때문이다.
약력에 의해 시작된 핵반응은 우주의 조성을 끊임없이 변화시킨다.
핵물리학으로부터 우리는 우주의 원시 수소 중 10퍼센트 정도가 별에서 핵 연료로 사용되어 왔다는 사실을 알 수 있다.
1960년대, 미국의 물리학자 셸던 글랫와 스티븐 와인버그 그리고 파키스탄의 물리학자인 압두스 살람(Abdus Salam)은
독립적으로 ‘약전자기 이론(electroweak theory)을 발전시켰다.
이 이론은 약력을 설명하는 동시에 전자기력에 대한 새로운 이해를 제공했다.
약전자기 이론에 따르면, 약력은 ‘약력 게이지 보손(weak gauge boson)’이라는 입자의 교환으로 만들어지며, 이는 광자
교환으로 전자기력이 만들어지는 것과 유사하다.
약력 게이지 보손에는 세 종류가 있다.
전하를 가진 두 종류는 W+와 W-이다.
W는 약력(weak force)을 뜻하며, +와 -는 약력 게이지 보손의 전하를 나타낸다.
다른 하나는 전기적으로 중성이며 Z라고 부른다. 전하량이 0, 즉 제로(zero)이기 때문이다.
광자의 교환가 마찬가지로, 약력 게이지 보손의 교환은 입자의 ‘약력 전하(weak charge)’에 따라서 인력과 척력을 만들어
낸다.
약력에서 약전하가 하는 역할은 전자기력에서 전기 전하가 하는 역할과 같으며 전하의 양은 숫자로 나타낸다.
입자는 약전하를 가질 경우에만 약력을 경험하며, 약전하의 특성에 따라 상호 작용의 유형과 힘의 크기가 정해진다.
그러나 전자기력과 약력 사이에 몇 가지 중요한 차이가 존재하는데, 가장 놀라운 차이는 약력에는 왼쪽과 오른쪽의 구별
이 있다는 점이다.
물리학자들은 이를 가리켜 ‘공간 반전 대칭성 깨짐(violate parity symmetry)’이라고 부른다.
반전성 깨짐은 입자와 그 입자의 거울 이미지가 서로 다르게 행동함을 의미한다.
중국계 미국인 물리학자 양첸닝과 리정다오는 1950년대에 반전성 깨짐에 대한 이론을 형식화했으며. 또 다른 중국계
미국인 물리학자 우젠슝은 1957년 이를 실험적으로 확증했다. 양첸닝과 리정다오는 그해 노벨 물리학상을 수상했다.
반전 대칭성을 깨는 몇 가지 사례는 알아둘 필요가 있다.
얘를 들어 사람의 심장은 보통 왼쪽 가슴에 있다.
하지만 진화가 달리 진행되어 오른쪽 가슴에 심장이 있다고 하더라도, 오른쪽 심장은 왼쪽에 있는 심장과 동일한 성질을
가지고 있을 거라고 상상할 수 있다.
심장이 오른쪽이 아니라 왼쪽에 있다는 사실은 생물학적 과정을 근본적으로 바꾸어 놓을 만큼 중요하지 않다.
우젠슝의 1957년 실험이 있기 수년 전까지 물리 법칙이 왼쪽과 오른쪽 중 어느 하나를 선호 하지 않는다는 사실은 명백
해 보였다.
분명 중력이나 전자기력을 비롯한 다른 많은 상호 작용에서 그러한 구별은 없다.
그럼에도 불구하고 자연의 기본적인 힘인 약력은 왼쪽과 오른쪽을 구별한다. 약력에서 반전 대칭성은 깨진다.
어떻게 힘이 한쪽보다 다른 쪽으로 선호할 수 있을까?
답은 페르미온의 고유 스핀에 있다.
나사못에 깎여 있는 나삿니 방향성이 있어서 나사못을 반시계 방향이 아니라 시계 방향으로 돌려야 하듯이, 입자도
스핀 방향이 있다.
그것이 바로 입자의 스핀 방향이다.
전자나 양성자 같은 입자들은 둘 중 하나의 스핀, 즉 왼쪽 스핀이거나 오른쪽 스핀을 갖는다.
‘손대칭성’을 의미하는 chirality는 손을 의미하는 그리스 어 ‘케이르(cheir)’에서 유래했다.
사람 손의 왼손 손가락과 오른손 손가락이감기는 방향이 다르듯이, 입자들도 왼쪽으로 회전하거나 오른쪽으로 회전한다.
약력은 왼쪽으로 회전하는 입자와 오른쪽으로 회전하는 입자에 다른 방식으로 작용하기 때문에 반전 대칭성을 깬다.
오직 왼쪽으로 회전하는 입자만이 약력을 느끼게 된다.
반전성 깨짐은 표준 모형의 가장 흥미로운 특징중 하나이다.
예를 들어 중성자 붕괴 시에 나타나는 전자는 언제나 왼쪽으로 회전한다.
약한 상호 작용은 반전 대칭성을 깨기 때문에 기본 입자와 그에 작용하는 힘을 열거할 때, 이들은 왼쪽으로 회전하는
입자와 오른쪽으로 회전하는 입자로 분리해서 나열할 필요가 있다.
베타 붕괴
약한 상호 작용의 참신한 특성은 이것만이 아니다.
반전 대칭성 깨짐만큼 중요한 두 번째 특성은 약력이 입자 유형을 바꾼다는 점이다.
예를 들면 중성자가 약력 게이지 보손과 상호 작용하면, 양성자가 나오는 경우가 있다.
이는 어떤 입자가 광자와 상호 작용했을 때와는 무척 다른 반응이다.
광자와 상호 작용할 경우에는 어느 종류든 그 대전된 입자의 총수, 예를 들어 전자의 개수에서 양전자의 개수를 뺀
값은 변하지 않는다.
하지만 중성자가 대전된 약력 게이지 보손과 상호 작용하면 중성자가 붕괴되어 전혀 다른 입자인 양성자가 나타난다.
그러나 중성자와 양성자는 질량도 전하도 다르기 때문에, 중성자가 양성자로 붕괴될 때에는 전하량, 에너지, 운동량을
보존하기 위해서 양성자와 다른 입자가 나와야만 한다.
중성자가 붕괴될 때는 양성자뿐만 아니라 전자와 ‘중성미자(neutrino)’라는 입자가 나오는 것으로 밝혀졌다.
이 과정이 ‘베타 붕괴(beta decay)’이다.
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