[논설실의 서가] 물리학자들이 밝혀낸 우주 기본입자 `쿼크`의 세계

세 개의 쿼크 김현철 지음 / 계단 펴냄

세계를 구성하는 궁극적 물질은 무엇인가는 물리학자들의 오랜 연구 주제다. 학자들이 지금까지 알아낸 해답은 쿼크다. 원자는 '더 이상 쪼갤 수 없는' 입자가 아니었다. 양성자와 중성자마저 기본 입자가 아니었으며, 양성자 안에는 전하를 띤 '무언가'가 있었다. 책은 그 무언가에 '쿼크'라는 이름을 지어주고, 쿼크의 성질과 본성을 밝히는 여정이다. 입자의 세계를 천착했던 물리학자들을 따라 쿼크의 세계를 살펴본다.

물리학은 질문과 답을 동시에 찾는 과정이다. "세상은 무엇으로 이뤄져 있나"라는 질문에 대한 답은 하나가 아니다. 기본입자는 여럿이었다. 이 세상의 모든 원소를 한 장의 주기율표에 넣을 수 있는 것처럼, 세상의 모든 기본입자를 표준모형이라는 하나의 표에 담았다. 그리고 그들 사이의 상호작용을 네 개의 근본 힘으로 설명했다. 이런 설명을 통해 '세 개의 쿼크'로, 우주의 질문에 답을 할 수 있게 됐다. 쿼크는 여러 사람에게 노벨상을 안겼다. 쿼크라는 입자를 상정해 수없이 발견되던 낯선 입자들을 일목요연하게 정리한 머리 겔만은 '쿼크의 아버지'로 불린다. 쿼크가 양성자와 중성자 안에서 어떻게 상호작용하는지 밝혀낸 데이비드 그로스와 프랭크 윌첵, 데이비드 폴리처는 '점근적 자유성'(asymptotic freedom)이라는 개념을 도입해 쿼크와 힘에 관한 새로운 시각을 열었다.

양성자는 쿼크로 이뤄져 있지만, 우리는 쿼크를 볼 수 없다. 쿼크 가둠 혹은 색가둠(color confinement)에 의해 쿼크는 양성자 바깥으로 나갈 수 없기 때문이다. 쿼크는 색전하에 의해 힘을 받는다. 전기력에 플러스와 마이너스라는 두 개의 전하가 있다면, 양자색역학에는 빨강, 초록, 파랑이라는 세 개의 전하가 있다. 양성자와 중성자를 비롯한 물질을 구성하는 입자가 세 개의 쿼크로 이뤄진 이유다. 이렇게 양성자가 다른 근본 입자로 구성돼있다는 것을 가속기 실험으로 밝혀낸 제롬 프리드먼과 헨리 켄들, 리처드 테일러도 노벨상을 받았다.

이론물리학자인 저자는 물리학자들의 이론을 세세하게 훑는 방식으로 난해한 쿼크의 세계를 풀어냈다. 꼭 물리학도가 아니더라도 우주의 근원에 관심이 있다면 읽어볼 만한 책이다.

강현철 논설실장