양자물리학 알기(7): 원자의 표준모형과 구조

1. 원자의 표준모형 개념 

 

원자 내부세계를 설명하는 표준 모형은 ‘GWS이 론’으로 밑바탕 그림이 그려졌다.

‘GWS 이론’은 1979년 압두스 살람(Muhammad Abdus Salam, 1926-1996)과 스티븐

와인버그의 공동 이론으로 발표된 것으로 전자기력과 약한 상호작용의
통합을 설명하고 있다. 1960년대에 발견된 3개의 쿼크- 업(up), 다운
(down), 스트레인지(strange)와 1970년대에 발견된 2개-참(charm), 보
텀(bottom), 그리고 1995년에 톱(top)쿼크가 발견되어 물질의 기본입
자에 대한 현대적 개념을 표준모형에 반영할 수 있게 되었다. 그러나
현재 표준모형은 아직 우리우주의 중력에 대해서도 설명하
지 못하고 있다. 21세기에 들어와서는 성능이 더욱 향상된 입자가속
기와 검출기의 설치로 기본입자의 상호작용에 대한 연구가 본격적으
로 진행되고 있다.

 

이에 따라 힉스입자는 2012년에 확인되었으나, 그것이 우주 에너지가 
최초의 우주물질로 전환할 때 작용했던 ‘신(神)의 입자’는 아니다. 왜냐하면

그것이 ‘신의 입자’라면 표준모형은 완성되어야 하기 때문이다. 현재의 표준모형은

암흑물질과 암흑에너지를 제외한 우주의 5%에 해당하는 보통물질의 기본입자

17개에 대해서만 설명하는 것이다. 그것은 아직 중력에 대해서는 언급조차 하지 못
하고 있다. 그러나 실험 결과들을 보면 새로운 입자들이 새로 발견되
기도 하고, 또는 새로운 이론들에 의하여 새로운 입자의 존재가 예측
되기도 한다. 따라서 물질 개념은 계속 바뀌고 있다.

현재 표준모형에 나타난 ‘기본입자’는 그 안에 다른 구조가 없는 것
으로 이해되고 있다. 그러나 기본입자의 수가 더 이상 없다고 말할 수
는 없다. 표준모형은 어쨌든 물리학의 꿈인 대통일이론으로 가는 이
정표이다. 물리학자가 아닌 우리가 대통일이론까지 갈 수는 없다. 다
만 우리는 표준모형에서 과학적 유신론을 이해하기에 필요한 만큼의
지식을 얻는 것으로 만족하자.

 

(1) 페르미온

 

① 먼저 6개의 쿼크(quark)가 배열되고, 6개의 렙톤(lepton)이 나란
히 배열된다. 이들을 페르미온(fermion)이라고 한다. 그리고 페르미온
사이에 힘을 매개하는 4개의 보손(bospn) 입자가 따로 있다. 여기에
페르미온과 보손을 처음으로 연결한 것으로 추측되었던 힉스 입자가
1개 더 있으므로 합이 17개다. 그러나 아직 중력이 포함되어 있지 않
으므로 완전한 것으로 보지는 않는다.
② 페르미온을 세대별로 보면 1세대 입자에는업쿼크, 다운쿼크,
전자, 전자 중성미자가 속해 있고, 2세대에는 가운데 줄에 참쿼크, 스
트레인지 쿼크, 뮤온, 뮤온 중성미자가 속해 있고, 3세대에는 톱퉈크,
보텀쿼크, 타우온, 타우온 중성미자가 있다.
③ 게이지 보손은 원자핵을 묶는 핵력 즉 강력으로 작용하는 글루
온(g), 쿼크들과 전자, 그리고 중성미자에 전자기력을 전달하는 광자 (γ),

중성미자들에게 작용하여 원자핵의 자발적 붕괴를 초래하는 두
개의 약력(W, Z)이 있다.
④ 힉스입자는 최초의 페르미온에 보손을 매개하여 질량을 부여했
다. 지난 2012년 스위스에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대
강입자가속기(Large Hadron Collider, LHC) 실험에서 발견됐다. 힉스입자
는 초단시간만 존재할 수 있다. 힉스 입자는 ‘신(神)의 입자’로 불리기도
한다. 그러나 대통일이론을 풀어줄 수 있는 ‘신(神)의 입자’는 아니다.
⑤ 중력의 빈자리가 그대로 남아 있다. 뉴턴이 발견한 중력은 질량
이 큰 물체 사이에서 인력으로 작용한다. 양자물리학에서 중력은 중
력자에 의하여 전달되는 것으로 예측되고 있으나 아직 발견되지는 않
았다. 대통일 이론으로 가는 길에 가징 큰 난제가 되고 있다.

현재 표준모형은 중력과 암흑물질, 그리고 암흑에너지에 대해서는
전혀 설명하지 못하고 있다. 따라서 앞으로 어떻게 수정될지, 또는 완
전히 폐기될지 아무도 장담하지 못한다. 그러나 이제까지 발견된 기본
입자의 상호작용에 대해서는 잘 설명하는 것으로 알려지고 있다.

(2) 쿼크

 

① 쿼크는 결코 1개로 존재하지 않고, 따로 관찰된 적도 없다. 글
루온(g, gluon)으로 불리는 강력(강한 핵력, strong nuclear force)이 쿼크를
묶어주는 보손입자이다. 쿼크는 강력을 매개로 2개 혹은 3개씩 짝을
맺는다. 3개의 쿼크로 짝이 이뤄지면 중입자(重粒子, Baryon)라고 하며, 페르미온이다.

중입자의 대표적인 예는 양성자와 중성자이다. 쿼크와 반쿼크 2개로 짝을 맺으면

중간자(Meson)라고 하며, 보손이다. 이것들을 합하여 강입자 (Hadron)라고 한다.

강입자 중에서 실제로 물질을 구성하고 있는 것은 양성자와 중성자뿐이다.

현재 이론적으로는 약 260개의 강입자들이 알려져 있다.

② 광자(γ, 감마: photon)가 전자와 전자중성미자에게 전자기력
(electromagnetic force)을 매개한다.
③ W, Z 보손입자가 뮤온과 뮤온 중성미자, 타우와 타우중성미자
에게 약력(weak force)을 매개한다. 약력은 묶어주는 힘이 매우 약해서
불안정하다. 그러므로 약력과 상호작용하는 입자는 매우 빨리 붕괴
된다.
④ 전자가력과 약력은 같은 것으로 통합되었으나, 강력의 통합은
아직 완성되지 못하였다.
⑤ 입자들에게 중력을 매개하는 양자 중력자는 아직 발견하지 못
했다.

 

원자의 질량은 쿼크가 대부분 가지고 있으며 렙톤은 소량만 가지
고 있다. 보손은 질량이 없다. 쿼크와 렙톤을 일컫는 페르미온은 파
울리의 배타원리를 따르나, 보손은 질량이 없으므로 배타원리에 적
용되지 않으므로 중첩될 수 있다. 원자의 내부 구조와 성분에 관한 보
다 심층적인 탐구는 입자가속기(particle accelerator)와 검출기의 성능이

향상됨으로써 가속되었다. 그동안 보이지 않았던 물질의 존재와 움
직임을 관측할 수 있게 된 것이다. 고성능 입자가속기에서 더 빠르게
입자를 충돌시키면 이전보다 작게 입자가 쪼개지거나 새로운 현상이
발생하는 것을 볼 수 있다. 그렇다고 순식간에 일어나는 그런 현상을
실체적으로 볼 수 있다는 것은 아니며, 고속 카메라를 장착한 검출기
에 찍힌 흔적을 본다.

 

(3) 힘의 작용에 대한 연구

① 점근적 자유성: 1964년 겔 만은 ‘쿼크 이론’에서 강력으로 결
합한 쿼크들의 구조와 성분을 설명했다. 여기에서 발전한 양자색역
학(QCD, quantum chromodynamics)은 양성자의 지름보다 작은 거리
에서 쿼크들은 서로 자유로이 움직이는 점근적 자유성(漸近的 自由性:
asymptotic freedom)을 가지고 있음을 발견했다. 점근적 자유성은 힘의
세기가 거리에 반비례한다는 고전적 과학법칙을 무너뜨리는 현상이
다. 입자가속에서 쿼크를 떼어내기 위하여 에너지를 추가하면, 추가
에너지는 새로운 쿼크와 반쿼크로 전환되고 만다.
② 베타붕괴: 약력의 힘은 바위에 부딪치는 빗방울처럼 매우 약하
나 강력에 묶여 있는 양성자를 중성자와 전자로 분리시키면서 중성미
자를 발생시킨다. 이 과정에 약력인 Z보손과 W보손이 작용한다.
③ 대통일이론(GUT, grand unification theory)의 가능성: 보손입자에
의하여 매개되는 강력, 약력, 전자기력을 하나로 묶는 수학적 게이지
이론이 제안되었다. 어떤 게이지이론은 입자들이 일정거리 이하로
가까워지면 전자기력, 약력, 강력 등 세 힘이 하나의 힘으로 통일되
는 가능성을 보여준다. 그러나 몇 가지 문제점을 해결하기 위해서 초
대칭이론이 사용된다.

(4) 만물의 이론(TOE; Theory of Everything)

 

아직까지 표준모형에 도입하지 못한 중력을 양자화하는 양자중력이론

(quantum theory of gravity)이 연구 중에 있다. 그러나 중력은 거시세계에서

나타나는 힘이고, 양자중력은 미시세계에서 작용하는 힘이기 때문에 이 두 힘
을 하나의 이론으로 통합하는 것은 쉬운 일이 아니다. 양자중력은 아
직 발견조차 하지 못했다. 물리학자들은 이런 문제를 해결하기 위
하여 기본입자들을 끈의 진동으로 보는 ‘끈(string)이론’과 차원을 막
(幕: membrane))으로 생각하는 ‘막 이론’을 제안하고 있다. 중력파
(graviation wave)는 최근 초신성 폭발의 관측에서 발견되었다는 보도
가 있었으나 지구에서는 검출되지 않고 있다.

아인슈타인은 생전에 우주의 모든 힘의 작용을 하나의 이론으로
통합하려는 꿈을 가지고 있었다. 이것은 표준모델에 나타난 원자내
부와 우주에 작용하는 힘을 하나로 연결하여 설명할 수 있는 이론을
의미한다. 이것은 아직 누구도 성공하지 못했지만, 모든 물리학자들
이 꿈꾸고 있는 이론이다. 이 과정에서 통일이론 연구자들은 전기약
력과 강한 핵력을 통합시키고자 하는 이론들을 계속 제안하였으며,
어떤 것들은 꽤 성공적인 것으로 밝혀졌다. 그중에는 1984년 마이클
그린(Michael Green)과 존 슈바르츠(John Schwarz)가 초대칭 이론을 바
탕으로 제안한 ‘초끈 이론’이 대통일 이론의 가능성 있는 이론으로 거
론된다. 초끈 이론은 우주의 만물은 쿼크보다도 1억분의 1정도의 작
은 ‘끈’으로 연결되어 진동하고 있다고 주장하는 것이다. 그러나 ‘초
끈 이론’에 대해서는 반대하는 학자들도 적지 않다. 이렇게 우주는 누
구도 제대로 확정할 수 없는 ‘숨은 변수’로 가득 차있다.

 

그러므로 우주만물을 중력까지 아우르는 대통일 이론으로 설명할 수 있는 날이
언제 올 수 있을지 아무도 모른다. 어쩌면 인간이 풀어낼 수 없는 미
지의 이론일지도 모른다. 이제까지 검토한 바와 같이 양자이론도 사
실 아직 불완전하다고 말할 수밖에 없다. 아인슈타인의 ‘숨은 변수’는
실제로 존재하는 것으로 보이지만, 물리량을 측정할 수 없다. 따라서
과학적 이론에 필요한 수학적 계산에 반영할 수 없다는 난제가 있다. 

 

2. 원자 안의 물질의 크기는?

 

이제 잠깐 눈을 돌려 양자물리학에서 밝혀진 우주와 원자 세계를
구성하는 물질단위의 크기를 이해해야 할 단계에 왔다. 먼저 원자는
1cm에 1억 개가 늘어설 수 있는 크기(길이)에 불과하므로 우리의 눈으
로는 직접 볼 수 없다. 원자의 구성입자인 양성자는 원자의 약 10만
분의 1 크기이다. 이 차이를 현실적으로 이해하자면 거대한 실내 체
육관 안에 떨어진 탁구공 1개와 비교해볼 수 있다. 전자와 쿼크는 크
기가 서로 비슷하며 양성자의 100만분의 1 크기이다. 전자를 원자에
비교하면 100억분의 1 크기이다. 양성자와 중성자 안에서 새로 발견
된 쿼크들은 전자의 크기와 비슷하다. 더욱 놀라운 것은 양자의 크기를

나타내는 플랑크 길이는 원자의 10⁻33cm이다. 그러므로 양자 이론
은 사실상 텅 비어 있는 실내 체육관과 같은 원자 내부에서 일어나는
이야기이다.

인간을 물질적으로 설명하면 인간의 몸은 약 100조 개의 원자로
이루어진 세포가 다시 약 100조 개로 구성되어있다. 인간은 100조 x
100조개의 원자로 구성된 물체, 사실은 내부가 텅 빈 껍데기뿐인 존
재임에도 불구하고 자신과 자신이 살고 있는 우주와 우주의 구성 물
질에 대해 이야기를 할 수 있는 것이다. 이런 사실은 참으로 경이로운
일이 아닐 수 없다. 그야말로 신이 인간에게 던져놓은 수수께끼라고
나 할까......