우리는 원자 하면 일반적으로 양자와 중성자가 함께 있는 원자핵과 그것 주변을 돌아다니는 전자만을 상상하기 마련이다. 하지만 그것보다 더 조그만 단위가 있다는 사실을 알았는가? 오늘은 너무나도 작은 쿼크에 대해 알아보자.
[개념]
쿼크는 양성자, 중성자를 이루는 단위이다. 여기에는 가장 잘 알려져 있는 두 가지 종류가 있는데 하나가 업, 다른 하나가 다운이다. 업의 성질을 가진 것과 다운 성질을 가진 것들이 적절한 비율과 개수로 조합되면 어쩔 때는 그게 양성자가 되는 것이고, 어떤 비율로 섞이면 중성자로 되는 것이다. 예를 들어 업업다운 이런 비율로 세 개가 버무려지면 그 세 개가 모여 하나의 양성자를 이룬다고 생각하면 된다.
업은 +2/3의 양전하를 띄고 있고, 다운은 -1/3의 음전하를 띄고 있다. 아까 양성자가 2개의 업과 1개의 다운으로 이루어져 있다고 했는데 2개의 업이면 +4/3, 1개의 다운이면 -1/3이다. 이 세 개를 다 더하면 +3/3이라고 볼 수 있고, 이는 +1이 된다. 우리가 양성자가 +1의 양전하를 띈다고 말하는 이유가 바로 여기에 있는 것이다.
중성자가 왜 이름이 중성자인 줄 아는가? 중성자라는 이름이 붙여진 이유는 전하를 띄고 있지 않기 때문에 중성자라는 이름이 붙여져 있다. 왜 중성자 일까? 중성자를 이루는 단위는 2개의 다운과 1개의 업이 합쳐지면 하나의 중성자가 생성되게 되는데, 계산해 보면 2개의 다운이면 -2/3(-1/3 * 2니까), 1개의 업이면 +2/3이다. 이 것을 합쳐보면 0이나 오게 된다. 이러한 이유 때문에 중성자는 어떤 양전하나 음전하는 띄고 있지 않은 것이다.
[랩톤]
위의 개념을 읽다 보면 그럼 전자는 무엇으로 이루어져 있는지 궁금할 수 있다. 전자는 그럼 무엇으로 이루어져 있을까? 전자는 랩톤의 한 종류라고 봐야 한다. 랩톤은 쿼크 업, 다운의 종류가 있었다면, 랩톤은 업다운이 아니라 1/2의 스핀을 가진다. 이 랩톤이 여러 개가 있는데, 그 여러 개 중 하나가 바로 전자인 것이다. 랩톤에는 전자 말고도 뮤온, 타우온, 중성미자 등이 있다. 각각은 질량에 따라서, 그리고 상호작용에 따라서 각각의 특성별로 분류되었다.
[야릇한 쿼드(strange quarq)]
아마 쿼크라는 개념에 대해 직접 공부하려고 이 블로그 글을 보고 있는 사람도 있겠지만, 침착맨 방송에서 쇼츠를 보다가 야릇한 쿼크라는 내용을 보고 여기까지 타고 들어온 분도 있을 것이라고 생각한다. 그 침착맨 방송에서 나온 야릇한 것은 대체 무엇일까? 사실 쿼크는 세대가 나뉘는데, 1세대 부터 3세대에 걸쳐 여러 가지 종류가 있다. 위에서 언급한 업, 다운 얘들은 세대중 우리에게 가장 친숙한 1세대이다.
침착맨 방송에 나온 야릇한 놈은 1~3세대 중에서 우리 일반 대중들에게 잘 알려지지 않은 2세대 쿼크 종류 중 하나이다. 이 야릇한 놈은 기묘도 라는 수치를 가지는데, 이 기묘도의 수치 때문에 쿼크 이름에 strange라는 형용사가 붙었다. 기묘도를 간단하게 설명해보면 이 쿼크로 만들어진 강입자(위에서 말한 양성자, 중성자는 아니고 강입자라는 또 다른 입자 종류가 있다.)에서 강입자가 붕괴될 때 보존되지 않는 양성자 수를 기묘도 라고 한다. 원래는 이 기묘도가 다른 것에는 없는데, 이 쿼크에만 있어서 야릇한(strange)라고 불리는 것 같다.
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