[박종진의 과학 이야기] 쿼크

박종진

우리 눈에 보이는 물질을 아주 작게 쪼개면 분자의 상태가 될 것이고 분자는 원자의 모임으로 이루어졌다. 원자는 중앙에 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 공전한다. 마치 우리가 속한 태양계를 축소해 놓은 듯한 모양이라고 생각하면 쉽다.
 
중심에 있는 원자핵 속에는 양성자와 중성자가 들어있다는 사실도 알고 있다. 양성자의 수에 따라서 다른 원소가 된다. 수소는 양성자가 하나이고, 헬륨은 양성자가 둘이며, 철은 26개, 마지막으로 제일 무거운 우라늄 핵에는 양성자가 무려 92개나 들어있다. 질량을 따지면 핵 속의 양성자와 중성자는 거의 같은 무게지만, 주위를 공전하는 전자보다 약 2천 배 정도 무겁다.
 
그런데 미국의 물리학자 머리 겔만은 1964년에 발표한 논문에서 원자핵 속의 양성자와 중성자도 더 작은 단위로 쪼개질 수 있으며 그것에 '쿼크'라는 이름까지 붙였다. 쿼크란 이름은 아일랜드의 대문호 제임스 조이스의 소설 〈피네간의 경야〉에서 나오는 갈매기의 울음소리를 인용했다고도 하고, 어떤 사람은 술 같은 액체를 계량하는 단위인 쿼트를 변형했다고도 하는데 어쨌든 소설 속에서 '세 번 쿼크'라는 대목이 나오는데 우연인지 모르지만, 자연계에 존재하는 쿼크 역시 하나씩 존재할 수는 없고 항상 세 개가 모여야 한다.  
 
4년 후 쿼크가 실험실에서 발견되자 머리 겔만은 노벨상을 받았다. 그렇게 해서 물질의 기본 단위는 원자가 아니라 쿼크라는 입자가 되었고 바야흐로 우리는 입자물리학 시대로 접어들었다.
 

그동안 가장 기본 단위인 줄 알았던 양성자와 중성자는 한 개 이상의 쿼크라는 더 작은 단위로 구성된다. 쿼크는 모두 여섯 가지 종류가 있는데 위 쿼크, 아래 쿼크, 맵시 쿼크, 기묘 쿼크, 꼭대기 쿼크, 바닥 쿼크 등 재미난 이름이 붙여졌다. 그 여섯 가지 쿼크 중 위 쿼크와 아래 쿼크가 이리저리 3개씩 모여서 이 세상을 이루는 모든 물질을 만든다.  
 
양성자는 두 개의 위 쿼크와 한 개의 아래 쿼크로 되어 있고, 중성자는 한 개의 위 쿼크와 두 개의 아래 쿼크로 이루어져 있다. 그러니 쿼크가 모여서 양성자와 중성자가 되어 원자핵을 이루고 핵과 전자가 결합하여 원소가 되었다. 아까 말한 대로 핵 속의 양성자 수에 따라 우리 우주에는 92가지의 기본 원소가 존재한다.  
 
쉬운 예를 들자면, 원자핵 속에 양성자가 하나 있으면 수소(H) 원자다. 양성자가 8개면 산소(O) 원자다. 그렇게 만들어진 수소 원자 두 개와 산소 원자 하나가 결합하면 물 분자(H₂O)가 된다. 마찬가지로 이 우주의 모든 물질은 우주를 이루는 92개의 기본 원소로 되어 있고, 각각의 원소는 원자핵 속의 쿼크의 조합인 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 이렇게 간단한 것이 삼라만상의 비밀이다.
 
기원전 5세기경 그리스의 철학자 엠페도클레스는 세상 모든 물질은 물, 불, 공기, 흙 등으로 이루어져 있다고 했다. 엠페도클레스는 인류 최초로 빛도 속도가 있다고 생각한 사람인데 그가 말한 소위 물질의 4원소설이 발전하여 그로부터 한 세기 후 데모크리토스는 원자설을 주창했다. 그는 물질을 계속 잘게 쪼개면 결국 더 나눌 수 없는 지경에 이르는데 이것을 원자라고 했다. 그러나 원자도 쿼크라는 입자로 구성되어있다는 것까지 현대 과학이 밝혔다. (작가)
 

박종진