우리가 사는 세계를 구성하는 물질은 도대체 무엇일까 ?
오랜 시간 과학자들이 연구해온 결과
물질을 이루는 가장 작은 단위는 ‘ 원자 ’ 임이 밝혀졌다.
원자는 마치 레고 블록처럼 서로 조립되고 ,
해체되는 과정을 반복해서 결국은 우리가 보는 세상의 모든 것을 이룬다 .
원자는 정말 말로 표현하기 힘들 정도로 작다 .
심지어는 우리를 아프게 만드는 감기 바이러스보다 작다 .
감기 바이러스도 수많은 원자로 구성되어있기 때문이다 .
그런데 , 그렇게나 작게만 느껴지는 원자도 사실 쪼개고 보면
여러 입자들로 구성이 되어있다는 사실을 아는가 ?
원자는 크게 전자와 원자핵으로 이루어져 있다 .
마치 지구가 태양 주위를 1 년에 한 번씩 공전하듯이
전자도 원자핵 주위를 돌고 있다 .
돌고 있다고 표현하기는 하지만
실제로는 오비탈의 형식으로 구름 모양으로 분포하고 있다 .
원자핵은 (+) 전하를 띠고 , 전자는 (-) 전하를 띤다 .
이러한 전기적 특성 때문에 원자핵과 전자는
서로를 잡아당기며 놓아주지 않으려고 한다 .
그래서 원자핵 주위에 전자가 돌고 있을 수 있는 것이다 .
다시 원자핵을 자세히 들여다보면 ,
수소를 제외한 다른 원소의 원자핵은 (+) 전하를 띠는 양성자와
어떤 전기적 성질도 띠지 않고 ( 다른 입자와 비교했을 때 )
무거울 뿐인 중성자로 이루어져 있다 .
양성자와 중성자가 한데 모여 원자핵을 이루는 것이다 .
그렇다면 , 아까 언급했던 전자와 원자핵은 서로의 전기적 특성에 의해
전기적 힘이 작용해 붙어있을 수 있는 것이었는데 ,
양성자와 중성자는 어떻게 한데 모여있을 수 있는 걸까 ?
뭔진 모르겠지만 과학자들은 양성자와 중성자 사이에
‘ 강한 핵력 ’ 이라는 것이 작용하고 있음을 알고 있었다 .
그리고 양성자 , 중성자 , 전자가 존재할 수 있는 가장 작은 입자인 줄 알았다 .
1970 년대 전까지만 해도 그랬다 .
내가 다루려는 ‘ 쿼크 - 글루온 플라즈마 ’ 라는 제목 중
‘ 쿼크 ’ 라고 하는 입자가 발견되고 나서는 ‘ 강한 핵력 ’ 이라는 힘의 실체가
‘ 강한 상호작용 ’ 이었다는 것을 알게 되었고 ,
‘ 쿼크 ’ 라는 입자가 지금까지 마냥 기본입자라고 생각했던
양성자와 중성자 등과는 다르게 더 작으며 ,
심지어는 이들을 이루고 있고 , 진정한 ‘ 기본입자 ’ 였던 것이다 .
그렇다면 , 쿼크는 도대체 뭘까 ?
고등학교 화학시간에 원자의 구조에 대해 배울 때
양성자 , 중성자 , 전자의 개념에 대해서는 필수적으로 다루지만
‘ 쿼크 ’ 라는 입자의 개념을 언급을 안하는 경우가 상당하며 ,
언급하더라도 ‘ 이런 입자도 있긴 하니 알아두고 넘어가자 ’ 라는 식으로 배운다 .
쿼크는 지금까지 밝혀진 바에 의하면 ‘ 기본입자 ’ 가 맞다 .
양자색역학 상으론 평상시에는 혼자 존재할 수 없으며 ,
반드시 다른 쿼크와 뭉쳐서 존재하게 된다 .
그리고 그렇게 서로 뭉친 쿼크들은 우리가 잘 알고 있는
양성자와 중성자와 같은 ‘ 강입자 ’ 들을 구성하게 된다 .
그래서 지금은 쿼크와 전자를 기본입자로 분류하곤 한다 .
간단하게 쿼크가 무엇인지만 짚고 바로 본 주제로 넘어 가보도록 하자 .
쿼크는 양성자와 중성자와 같은 강입자를 이루는 입자들이다 .
여기서 중요한 건 쿼크는 평상시에 뭉쳐서 다닌다는 것이다 .
그 이유는 ‘ 글루온 ’ 이라고 하는 매개입자 때문인데 ,
쿼크끼리는 끊임없이 이 글루온이라고 하는 매개입자를 서로 주고받으며
서로를 놓아주지 않으려고 한다 .
즉 , 쿼크들은 서로 글루온을 주고받으며 ‘ 강한 상호작용 ’ 을 한다 .
비유적으로 말하자면 글루온은 풀과도 같은 존재다 .
신기한 건 , 쿼크끼리를 떼어내려고 하면
쿼크들 사이에 작용하는 힘이 더 세진다는 것이다 .
그래도 억지로 떼려고 하면 글루온이 늘어지다가
빈 공간에 새로운 쿼크를 형성하고 방금 전과 같은 상황을 반복시킨다 .
이게 전자와 원자핵 사이의 힘과 다른 점이면서 쿼크의 단독 연구가 힘든 이유이다 .
쿼크 하나만 놓고 연구를 하려고 쿼크끼리를 떼어놓으려고 하면
도리어 새로운 쿼크가 생겨버리기 때문이다 .
이 문제를 어떻게 해결할까 고민하던 물리학자들은 방법을 찾아냈다 .
“ 떼어내려고 하면 오히려 새로운 입자들을 만들어내니 ,
반대로 에너지를 줘서 압축시켜버리면 어떨까 ?”
물리학자들의 생각은 틀리지 않았고
무거운 두 원자핵을 충돌시켜
아주 많은 에너지를 줘버리니
쿼크와 글루온이 분리가 되었던 것이다 .
이렇듯 고온과 고압을 받아 쿼크와 글루온이 분리된 상태를
‘ 쿼크 - 글루온 플라즈마 ’ 라고 한다 .
‘ 쿼크 - 글루온 플라즈마 ’ 를 연구하는 데 있어 목적은 여러 가지이다 .
첫 번째로 쿼크 연구에 있다 .
아까도 언급했듯이 쿼크를 연구하기 위해선 서로를 떨어뜨려야 하고 ,
그럴 수 있는 상태가 쿼크 - 글루온 플라즈마이다 .
두 번째로는 우주의 탄생 , 즉 빅뱅 초기를 연구할 수 있다 .
쿼크가 기본입자이고 이 세상을 이루는 모든 물질 안에 다 있는 것을 생각해보면
우주가 고에너지의 한 점에서 급속히 팽창하여
처음으로 만든 물질은 당연히 쿼크일 것이다 .
그 찰나의 순간에 워낙 고에너지였기 때문에
당연히 쿼크 - 글루온 플라즈마의 상태였을 것이라고 판단이 되어서
우주 초기 상태에 관한 연구에 응용할 수 있는 것이다 .
이렇듯 쿼크-글루온 플라즈마를 연구하는 것은
우주의 비밀을 알아낼 수 있는 열쇠를 구하려고 하는 것과도 같기도 하다.
간단하게 이 글로 쿼크-글루온 플라즈마에 대한
궁금증이 풀렸다면 좋겠다고 생각하고 있다.
가까운 미래에 우주의 비밀이 무엇인지도 알게 되었으면 좋겠다.
(2020.10.17 작성)