[하정열 우주화가의 시·그림 우주여행](84) 소립자(elementary particle, 素粒子)

인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 나는 우주의 경이로움에 늘 감탄하고 있다. 우주란 무엇인가라는 질문을 매일 던지고 있다. 일반적으로 우주(宇宙, The Universe)란 시공간의 총체를 의미한다. 우주는 암흑물질과 암흑에너지 및 약 4.9%의 일반물질로 이루어져 있다.  

그 중 일반 물질이란 원자, 이온, 전자 및 이들이 형성하는 천체들이다. 일반 물질은 일반적으로 고체, 액체, 기체 및 플라즈마의 4가지 상태들로 존재한다. 이 물질은 우리가 은하들에서 볼 수 있는 거의 모든 빛을 생성하는 은하와 항성들과 성간 및 은하간 매체에 있는 성간 가스, 행성 및 우리가 부딪치거나 만지거나 쥐어 짜낼 수 있는 일상 생활의 모든 물체들이 포함된다. 사실은, 우주에 있는 일반 물질의 대부분은 보이지 않는다. 그것은 은하 내부의 보이는 별들과 가스가 우주의 질량과 에너지 밀도에 기여하는 일반 물질의 10% 미만을 차지하기 때문이다.

일반 물질은 쿼크와 렙톤이라는 두 가지 유형의 기본 입자들로 구성된다. 예를 들어, 양성자는 두 개의 위 쿼크들과 한 개의 아래 쿼크로 구성된다. 중성자는 2개의 아래 쿼크와 1개의 위 쿼크로 구성된다. 전자는 일종의 렙톤이다. 한 원자는 양성자들과 중성자들로 구성된 원자핵과 그 핵 주위를 도는 전자들로 구성된다.

이러한 물질을 이루는 가장 작은 단위의 물질을 소립자라고 한다. 현재는 약 300여 종의 많은 소립자가 알려져 있으며 가장 먼저 발견된 소립자는 전자이다.

물질을 세분해 가면 분자, 원자, 원자핵으로 세분화되고, 마지막에 더이상 나눌 수 없는 가장 작은 알갱이에 이르게 되는데 이를 소립자라고 한다. 소립자는 현재까지 발견된 물질을 구성하는 가장 작은 단위의 입자이다. 그리고 이러한 물질의 최소단위를 연구하는 학문을 소립자물리학이라고 한다.

원자의 크기는 1㎜의 1만분의 1 정도이며, 원자핵은 1㎜의 약 1조분의 1이라고 밝혀져 있다. 소립자인 전자는 원자핵의 약 1만분의 1크기이며 질량은 9.1×10-28g 이다. 소립자물리학에서는 소립자의 크기를 0으로 설정한다.

가장 먼저 발견된 소립자는 전자다. 1897년 영국의 조세프 존 톰슨(Joseph John Thomson)에 의하여 발견되었다. 1908년 영국의 물리학자 어니스트 러더퍼드에 의하여 원자핵이 발견되었다. 그 당시에는 원자핵이 물질을 이루는 가장 작은 단위로 여겨졌다. 하지만 1932년 영국의 물리학자 제임스 채드윅(James Chadwick)에 의해 중성자(中性子)와 양전자(陽電子)의 존재가 밝혀졌다. 1937년에는 소립자의 일종이며, 중간자(中間子)로 불리기도 하는 뮤온(Muon)이 발견되었다. 1950년대에 들어서 더 많은 소립자가 발견되면서 소립자에 대한 연구가 활발해지기 시작하였다.

스위스 물리학자 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)에 의해 1930년대 중성미자라는 소립자의 존재가 이론적으로 알려졌고, 1950년대에 중성미자의 존재가 증명되었다. 중성미자는 태양에서 방출되며 아주 작은 크기로 다른 원자나 전자와 부딪히지 않고 통과한다. 즉 태양에서 방출된 중성미자는 지구를 관통하여 지나며 일상의 공간에서 무수한 중성미자들이 지나고 있다.

양성자와 중성자는 소립자가 아니라는 사실이 1964년에 밝혀졌다. 머레이 겔만(Murray Gell-Mann)과 조지 츠바이크(George Zweig)라는 두 물리학자에 의해 양성자와 중성자는 쿼크라고 불리는 소립자로 이루어져 있음이 밝혀졌다. 즉 중성자와 양성자에는 각 3종의 쿼크로 구성되어 있는데, 중성자에는 2개의 다운 쿼크와 1개의 업 쿼크가 있고 양성자에는 두개의 업 쿼크와 1개의 다운 쿼크가 존재한다는 사실을 밝혀냈다.

이후 1975년 가속기를 통한 실험에서 타우온(Tauon)이라는 소립자가 발견되었다. 또한 모든 소립자에는 입자의 질량이 동일하고 전기의 음양이 서로 반대인 반입자가 존재한다는 사실도 발견되었다.

최근에는 우주의 모든 공간을 구성하는 최소 단위의 물질, 즉 소립자로 알려진 힉스(Higgs) 입자의 존재가 연구되고 있다. 힉스입자의 존재는 1964년 피터 힉스(Peter Higgs)에 의해 알려졌으며, 우주의 모든 공간을 채우고 있는 입자로 추측되고 있다. 이는 자연 속에서는 관찰되지 않기 때문에 입자 가속기로 입자를 충돌시켜 그 존재를 밝히는 실험을 진행하고 있다. 현재까지 발견된 소립자는 약 300종류가 알려져 있다. 앞으로 더욱 많은 소립자들이 발견될 것이다. 우리가 눈으로 확인할 수 있는 우주의 모든 물체는 바로 티끌 보다도 더 작은 무수하게 많은 소립자로 구성된 것이다.

이러한 개념을 담아 그림 ‘소립자231004’를 그리고, 시 ‘우주의 근원 소립자여!’를 썼다.

/우주화가 하정열(Cosmos Painter Ha, Jung-Yul)