원자 세계의 소립자들

한 국제적인 탐사진이 교묘히 빠져 달아나는 표적을 추적하느라 한창 열을 올리고 있다. 그 표적은 변장과 신속한 도주의 명수이다. 그러나 단서는 풍부하다. 지나간 흔적, 뚜렷한 “행동 과정”, 게다가 사진도 있다. 이 추적 ‘티임’의 수사의 ‘기술적 장비’는 꾸준히 개선을 거듭했지만, 그 표적의 소재는 더욱 묘연해지고 불가사의한 것처럼 보일 뿐이다.

그들은 거물을 쫓고 있는 것이 아니라 미세한 것을 찾고 있는 것이다. 사실상, 가장 작은 물질이다. 이 수사진들은 바로 원자 과학자들이고, 그들의 담당 사건은 물질적 우주의 건축 자재인 소립자(素粒子)들을 찾아내는 것이다.

이러한 탐구의 시작은 적어도 기원전 4세기로 소급된다. 그 당시의 희랍 철학자들은 물질의 반복적이고 연속적인 분열의 최종 결과에 대해 숙고 했었다. 그러한 분열이 무한정 행해질 리는 없다고 생각했다. 마침내 물질은 더 이상 분할할 수 없는 조각이 되어야 한다는 것이다. ‘데모크리투스’는 물질의 그 가장 작은 조각을 묘사하기 위해서 “원자”라는 단어를 창안해내 그 공로를 인정받게 됐다. 그러나 20세기에 와서는 원자 그 자체가 무엇으로 구성되어 있느냐 하는 것을 규명하는 데 노력이 집중되어 왔다.

첫번째 “소립자들”이 발견되다

‘J. J. 톰슨’은 1897년에 전자의 정체를 추적해 냈다. 그는 전류가 엄청난 수의 이 입자들로 되어 있다는 것을 발견해냈다. 전자는 너무나 미세해서 1초에 6,000,000,000,000,000,000개가 100‘와트’ 전구 속을 통과한다. 모든 소립자들 중 가장 붙잡기 힘든 전자는, 마치 조그마한 마찰만 생겨도 이곳에서 저곳으로 쉽사리 거처를 옮겨 버리는 변덕스런 방랑자와도 같다. 만일 당신이 양탄자 위를 거닐 때 당신의 신발은 수십억의 전자를 집어 올려 몸에 흩뿌리게 될 수 있다. 그리하여 당신이 손을 펴서 전기 ‘스위치’를 돌려 손끝에서 섬광이 일 때 그것은 공기 속에서 무질서하게 뛰고 섞이고 있는 것이다.

1911년에 ‘어어니스트 러더포오드’는 원자의 모든 양전하와 그 질량의 대부분이 원자 그 자체 크기의 10000분의 1의 범위 내에 존재한다는 것을 밝혀냈다. 그것은 원자에 대해 우리 대부분이 가졌던 일반적인 개념에 진보를 가져 왔다. 즉 마치 꿀벌이 벌통 주위를 도는 것처럼, 빠른 속도로 움직이는 전자가 궤도를 그리며 작은 중심 즉 핵 주위를 선회하고 있는 것이다.

1932년에 이르러 그 핵은 양자와 중성자로 구성되어 있음이 밝혀졌다. 양자는 원자의 양전하를 띤다—크기는 똑같지만, 음전하를 띠고 있는 전자에 대해 성질은 반대이다. 양자는 전자의 질량의 약 1,800배인데, 그것은 냉장고를 ‘비스켓’과 비교하는 것과 같다. 양자보다 약간 질량이 많은 중성자는 아무 극도 띠지 않는다. 1940년대까지의 실험들과 이론은 핵에서 작용하는 다른 많은 입자들에 대한 막을 올려놓았다. 원자 핵에 대한 과학자들의 생각은 더욱 더 복잡해졌다.

탐지 방법

물리학자들은 물질의 상호 작용의 결과를 검토하여 미립자들을 “식별”한다. 이 상호 작용은 쓰레기 통을 뒤집어 엎고 꽃밭을 휘졌고 다니면서 동네에 소란을 피우는 장난꾸러기 어린이의 지나간 흔적에 비교될 수 있다. 얼마 후에 이웃 사람들은 그 흩으려 놓은 방식을 보고 곧 범인을 찾아낼 수 있을 것이다. 원자 “집”에서 놓여서 움직이는 하전된 입자들은 야단 법석을 피우며 돌아다니는 꼬마처럼 동작한다. 그것은 다른 원자와 충돌하기도 하고, 하전된 원자의 잔재물을 남기면서 그들의 전자들을 격퇴시키기도 한다.

초기에 사용된 입자 검파기는 “안개 상자”였다. 하전된 입자들은 마치 고공 비행을 하는 ‘제트’기가 자취를 남기는 것처럼, 진로 중 방해받은 원자에 나타난 증기 응결 때문에 그 상자 속에 증기 흔적을 남긴다. 오늘날 보다 일반적인 것은 매개체로 비등점에 가까운 액체를 사용하는 “거품 상자”인데, 거품의 흐르는 방향은 입자의 진로를 밝혀 준다.

도주의 명수

입자들은 굉장한 속도로 여행한다. 광자는 중성미자와 중력자와 더불어 전대미문의 속도 기록을 보유하고 있다. 이 셋은 모두 질량이 없기 때문에 일 초에 지구를 일곱 바퀴 이상 돌 수 있는 비율, 즉 빛의 속도 초속 300,000‘킬로미터’로 움직인다.

물질 입자들(질량을 갖고 있는 것들)은 거의 빛의 속도에 가까우나 결코 그 속도에 미치지 못한다. 사실상, 핵 주위를 돌고 있을 때 전자의 속도는 빛의 속도의 십분의 일 정도이다. 그 속도를 가장 빠른 입자의 속도와 비교하는 것은 마치 고속 도로를 달리는 자동차를 초음속 ‘제트’기와 비교하는 것과 같다.

빨리 변하기 전문가

한 미립자의 존재 기간을 그의 생애 혹은 단순히 수명이라고 말한다. 전자와 양자는 안정되어 있다. 바꾸어 말하면 그들의 수명은 무한하다. 그러나 대부분의 입자들은 매우 짧은 기간만 “생존”한다. 예로써, 상승대기층에 있는 우주 방사선의 상호 작용에 의하여 생성된 입자인 “뮤온”은 평균 수명이 이백만 분의 일 초이다. 그것이 “죽”을 때 갑자기 그 자리에 하나의 전자와 두 개의 중성미자가 나타난다. 이것은 은행에서 두세 걸음 나온 강도가 기적으로 다른 세 사람으로 변하더니 다른 세 방향으로 달아나는 것에 비교될 수 있다.

이렇게 갑자기 신분을 바꾸는 것은 단명한 입자들을 연구하는 과학자들에게 적지 않은 문제를 안겨다 주었다. 그것이 형성된지 수백만분의 일 초 만에, 그 한 입자가 둘이나 그 이상의 더 작은 입자들로 붕괴될 수 있으며, 아마 그것은 또 다시 다른 보다 작은 입자들로 바뀌게 될 수 있다. 그 과정은 안정된 입자가 산출될 때까지 계속된다. 한 입자가 그 신분을 바꿀 때 그것을 “붕괴”라고 부른다. 그러나 왜 전자와 양자는 붕괴하지 않는 질량을 지닌 독특한 입자인가? 그것은 소위 보존 법칙 때문이다.

보존 법칙

간단히 말해서 보존 법칙이란 만일 한 보존된 수량이 어떤 사건이 발생하기 전에 측량된 것이라면, 그 수량은 사건이 발생한 후에 집계된 양과 같은 양이어야 한다는 것이다.

예로써, 공이 밖으로 나가지 못하도록 높은 울타리로 둘러 싸여 있는 네 개의 복합 정구장을 상상해 보라. 선수들이 입장할 때 우리는 한 구장의 선수들에게 동일한 공을 10개씩 주면서 그들이 시작할 때 갖고 있던 특정한 공을 기억하려고 애쓰지 말도록 당부한다. 동시에 ‘게임’이 진행되는 동안 아마 공들은 인접한 ‘코오트’로 날라 들어갈 수 있고, 거기서 동일하게 사용될 수 있다. 결과적으로 어떤 공들은 모든 선수들에 의해 사용될 수 있다. 모든 경기가 끝난 후에 우리는 공들을 모으면서 우리가 손건네 주었던 동일한 수의 공을 돌려 받기를 기대한다. 만일 공이 모자란다면 우리는 얼마의 공이 울타리 너머로 넘어갔거나, 아직 ‘코오트’ 안에 남아 있거나, 아니면 선수들이 갖고 갔다고 결론내릴 수 있을 것이다. 다른 설명이란 이치에 맞지 않는다. 정구공은 공중으로 사라지지 않는다. 이 경우에, “정구공은 보존된 것이다.”

보존 법칙이 물질적 세계를 지배한다. 어느 것도 보존 법칙을 깨뜨리게 할 수 없다. 소립자 세계의 요소들 가운데에는 법을 위반하는 것이 없다.

전자는 전하와 질량의 보존 때문에 안정되어 있다. 전자가 가장 가벼운 하전된 입자이다. 전자보다 가벼운 입자들이 있지만 그들 모두는 하전된 면에서는 언제나 중립이다. 만일 전자가 이들, 보다 가벼운 입자들 중의 하나로 붕괴된다면 그것은 그것의 전극이 제거되어야 함을 의미하는데 그러나 그것은 전하 보존 법칙을 깨뜨리는 것을 의미하기 때문에 불가능한 일이다. 그것은 보다 무거운 하전된 입자로 붕괴될 수 없는데 그것 또한 질량의 보존 법칙을 깨뜨리는 것이 되기 때문이다.—그것은 1‘파운드’ 나가는 빵 덩이를 잘게 썰어서 2‘파운드’ 무게 나가는 빵 조각을 얻을 수 없는 것만큼 불가능한 일이다. 그러므로 전자는 단순히 “그들이 갈 곳이 없기 때문에” 붕괴될 수 없다.

양자 또한 붕괴되기 위해서는 또 다른 보존 법칙을 범해야 하므로 안정되어 있다. 반면에, 중성자는 밀접히 붙어 있는 양자를 갖고 있는 한 안정되어 있다. 만일 중성자를 “단독으로 격리”시켜 놓으면 약 15분 이내에 붕괴되고 만다.

‘케니스 포오드’는 「소립자들의 세계」라는 그의 저서에서, 보존 법칙의 중요성을 이렇게 강조했다. “한 입자가 붕괴되고 자신을 보다 작은 입자들로 변화시키는 것은 ‘정상적’인 일이다. 온전히 이해되지 않은 이유로 두 개의 예외적인 입자들 즉 양자와 전자가 있는데, 그것들은 붕괴되지 못하도록 제한이 되어 있다. 이러한 입자들에 대한 보다 폭넓은 견해에 의하면, 이 두 입자의 붕괴를 막도록 작용하는 특정한 자연 법칙(보존 법칙)이 있다. 이러한 가능성 때문에, 물질적 세계의 건축이 가능한 것이다.

“물론, 단 하나의 우주와 고정된 법칙들이 있기 때문에, 세상에 있는 특정한 상태가 우연히 존재 한다고 말하는 것은 전혀 이치적이 아니다. 그러나, ‘코페르니쿠스’에 의해서 시작된 미립자의 다양성에 대한 이러한 연구는 계속 진보되어 왔으며 자연의 설계를 직면할 때마다 인간이 더욱 더 비천함을 실감케 할 것이다. 우리와 우리의 세계가 존재하는 것은 몇몇 입자들에게 안전 장치를 제공하는 신뢰할 만한 보존 법칙에 기인하며, 그 법칙이 아현미경적인 세계의 통상적인 무질서 위에 질서정연한 건축을 가능케 하는 것이다.”

보존 법칙이 “중성미자”를 예고하다

아원자적 입자들에 대한 연구의 초기 실험들은 중성자가 보존되지 않고 붕괴한다는 것을 암시해 주었다. 연구가들은 하나의 중성자가 하나의 전자와 하나의 양자로 붕괴될 때 그 ‘에너지’와 타성이 붕괴된 후가 붕괴되기 전보다 훨씬 더 약해진다는 점을 주목하게 되었다. 이것들은 수량이 보존된 것이었으므로, 이 경우 보존 법칙에 위배된 것처럼 보였다. 핵 물리학자들은 이러한 견해를 받아들일 수 없었다.

이러한 보존 법칙들을 보호하기 위해서, 이론가들은 중성미자를 창안해냈고 그것을 중성자가 붕괴하는 과정에서 불가분의 짝으로 삼기 위해 모든 필요한 특성들을 부여하였다. 그것은 “관찰”되지 않았다. 그러나 그것의 존재에 대한 가정은 그들이 신뢰하도록 가르침을 받은 보존 법칙들에 대한 과학자들의 믿음의 소산이었다.

믿음으로 중성미자의 존재를 받아들인지 25년 후인 1956년에 과학자들은 그것을 붙잡는 데 성공했다. 그렇게 잘 잡히지 않은 것은 극히 당연했다. 그것은 전하나 아무 질량도 갖고 있지 않으며, 빛의 속도로 여행한다. 매우 드물게도 중성미자는 마치 총탄이 미농지를 관통하는 것처럼 순간적으로 지구를 완전히 통과해 버리는 물질과 상호 작용을 한다. 중성미자의 존재를 입증하기 위한 한 노력으로, 실험가들은 계산된 100,000,000,000,000개의 중성미자를 13‘미터’ 두께의 철판을 통과시켜 검파기 속으로 보낸 결과 그들 중 단지 29개만 잡혔다는 기록이 나왔다. 그것은 단지 10분의 1 ‘킬로그램’의 결과를 얻기 위해, 전세계 인구를 목욕실 크기 만한 작은 방으로 통과시키는 것에 비교 될 수 있다.

분류 방법

1960년까지 너무나 많은 입자들이 표면에 나타났기 때문에 과학자들은 마치 난파된 동물학자들이 이전에는 전혀 본 적이 없는 거대한 무리의 동물이 살고 있는 한 섬에 도착한 것처럼 느꼈을 것이다. 다채로운 미립자 집단에 어떤 질서를 마련코자 하는 노력으로, 물리학자들은 비슷한 특성을 바탕으로 미립자들을 몇개의 ‘그룹’으로 분류하였다.—동물학자들이 동물들을 포유동물, 파충동물, 기타 여러 가지로 분류하는 것과 같다.

보다 무거운 입자들은 강립자라고 불리운다. 초중량급 강립자는 중립자라고 불리운다. 중립자(양자, 중성자 등)들은 아원자적 동물원에서 “코끼리”에 해당한다. 보다 가벼운 강립자들은 중간자(‘파이온’, ‘카온’ 등)라고 불리우며, “호랑이 크기”에 해당한다. 경립자(전자, ‘뮤온’, 중성미자)는 미립자 세계에서 일반적으로 “곤충들”에 해당한다.

사실상의 분류는 크기나 무게에 기초한 것이 아니라 각 입자의 상호 작용을 통해서 나타나는 동류에 기초한 것이다. 코끼리들은 곤충계와는 다른 방법으로 서로 어울린다. 사실상, 곤충과 코끼리는 코끼리가 곤충에 의해서 이미 먹혀지고 있는 나뭇잎을 씹을 때를 제외하고는 서로 거의 무관심할 것이다. 코끼리와 같은 강립자들은 강자라고 불리우는 것들과 서로 상호 작용을 한다. 곤충 같은 경립자들은 전혀 강자들을 의식하지 않고 지낸다. 두 마리의 코끼리가 싸울 때 한 마리의 메뚜기가 무슨 일을 할 수 있겠는가? 그러나 하전된 경립자들은 전자기력에 민감하다. 그리고 그들은 이 힘의 법칙에 따라 강립자들과 상호 작용하게 될 것이다. 그것은 마치 작은 동물이 큰 동물의 눈동자 속으로 날라 들 때 두 동물이 틀림없이 알아차리는 것과 같다.

더 많은 “소”립자가 있는가?

대부분이 강립자인 약 300개의 입자들이 인간이 원자를 연구하고 그것을 분리해내기 시작한 이래 발견되어 왔다. 경립자는 순수한 “소”(素)인 것처럼 보인다—즉, 그것들은 크기를 식별할 수 없을 뿐만 아니라 아무 내부 구조도 없는 것처럼 보인다. 더구나, 단순함을 나타내는 매우 작은 수효가 알려 주듯이, 알려진 경립자는 단지 여섯 개이다. 강립자들은 그렇게 단순하지 않다. 그것들은 측량할 만한 크기이며 수효는 수백에 달한다. 하나의 강립자가 붕괴할 때, 그 파편에서 다른 강립자들이 튕겨 나온다.

1960년대에 ‘머리 겔멘’과 ‘조오지 즈위그’는 새로운 입자인 ‘쿼크’를 제의했다. 그들의 학설은 어떤 결합으로 모든 강립자들이 두세개의 ‘쿼크’들로 이루어졌다는 것이다. ‘겔멘’과 ‘즈위그’는 그들의 이론적인 ‘쿼크’에 어떤 특성을 부여하여 알려진 모든 핵입자들(강립자들)이 “승(昇)”, “강(降)”, 그리고 “기묘”라고 이름지어진 단지 세개의 각각 다른 ‘쿼크’로 건축되어 있다고 설명하였다. 이 학설의 가외 소득은 이전에 밝혀지지 않은 입자의 존재에 대한 예고였는데, 그 입자는 곧이어 밝혀졌고 예기한 특성들을 가지고 있는 것으로 나타났다. 이것은 이 학설을 받아들이도록 크게 영향을 끼쳤다. 최근의 실험들은 “매력”, “진리”, “아름다움”이라고 이름지어진 세 종류의 다른 ‘쿼크’의 존재를 강력히 암시하고 있다.

이 기사를 쓰고 있을 때까지도, 개개의 ‘쿼크’들이 확정적으로 발견되지는 않았다. 어떤 사람들은 그것이 결코 분리될 수 없을 것이라고 생각한다. 그러나 ‘쿼크’들은 여전히 모든 입자 물리학자들의 확고한 이론의 기초가 되고 있다. 중성미자의 경우처럼, 과학자들은 원자의 탐지할 수 있는 입자들이 어떤 특정한 상태하에서 무슨 작용을 할 것인지를 예견하는 데 익숙해져 있기 때문에 그것들을 보지 않고도 그것의 존재를 믿는다.

현재의 이론을 이루고 있는 몇몇 ‘쿼크’들이 아직 발견되지 않은 새로운 입자들에 대한 설명을 계속해 줄 것인가? 보다 많은 ‘쿼크’들이 밝혀질 것인가? 하나의 ‘쿼크’가 언젠가 또 분리되어질 것인가? 진실로 ‘쿼크’가 원자 핵의 최후의 “소립자”인가? 만일 그렇지 않다면 ‘쿼크’는 무엇으로 구성되어 있는가?

“그것은 무엇으로 구성되어 있는가?”라는 질문은 결코 완전히 해답되지 않을지 모른다. 물질에 대한 철저한 조사가 한 걸음씩 진전될 때마다, 소위 “소립자”들은 보다 간단한 어떤 것으로 이루어진 것처럼 보인다. (현재 “글루온”에 대한 이론이 있다.) 이러한 연구는 결코 끝나지 않을 것인가? 우리들의 호기심이 결코 온전히 충족되지 않을지도 모른다. 어떤 사람들에게는 그러한 전망이 낙심이 되기 보다는 더욱 더 관심을 끄는 것이 될 것이다. 그들은 그리스도인 사도 ‘바울’이 느꼈던 바와 같이 느낀다. “깊도다 하나님의 지혜와 지식의 부요함이여! 그의 판단은 측량치 못할 것이며 그의 길은 찾지 못할 것이로다!”—로마 11:33.