입자의 분류

입자

이때까지 소개한 입자들을 종합해보면 무려 12가지가 된다. 이들을 다음과 같은 네 종류로 구분해 볼 수 있는데

 

1. 중입 가족

질량이 무거운 입자들(양성자, 중성자 및 그 반입자들)

2. 중간 자족

중간 정도의 질량을 가지는 입자들(파이 입자들)

3. 경입자족

질량이 가벼운 입자들(전자, 중성미자 및 그 반입자들)

4. 광자족

여기에는 광자만이 단독으로 속함

 

일단 이렇게 12개의 입자들을 정리해놓으면 이들은 매우 짜임새 있는 모임이며 어느 하나도 없어서는 안 될 분명한 역할을 자연계 내에서 하고 있다. 그러므로 이들 12개의 입자가 기본 입자의 전부라고 한다면 그런대로 만족스러운 자연관을 이룬다고 하겠으나, 현실적으로는 이 12개 이외에도 그 역할이 분명하지 않은 다른 기본입자들이 계속해서 발견되고 있다.

 

하나의 대표적인 예를 들어본다면 파이 입자보다도 오히려 먼저 발견된 뮤 입자가 있다. 이것은 그 질량이 전자 질량의 207배나 되는 것이지만 나머지 모든 성질들은 전자와 대단히 비슷한 것이어서 그 분류에서도 중간 자족에 속하는 것으로 보지 않고 전자가 속하는 경입자족으로 보고 있다. 뮤 입자에서도 물론 이것의 반입자가 있으며 뮤 입자가 발생할 때 함께 나오는 뮤 중성미자 및 이것의 반입자도 존재하여 경입자족에 속하는 입자만도 모두 8개가 되었다.

 

또한 강한 상호작용을 매개하는 중간 자족에도 파이 입자뿐 아니라 케이 입자라는 네 가지 입자(K+, K0, K0, K-)를 비롯하여 '로 입자' 등 훨씬 무거운 입자들이 계속 발견되고 있다. 그러나 기본 입자의 인구를 가장 크게 늘려주는 것은 중입 자족에 속하는 입자들이다. 처음에 양성자, 중성자와 이들의 반입자들로만 구성되었던 중입 자족에는 이들보다 훨씬 무거운 람다, 시그마, 크사이, 오메가 등 '야릇한'입자들이 계속 발견되어 이제는 그 수를 다 헤아리기 어려울 정도이다.

 

질량이 다양한 기본 입자의 수가 이와 같이 팽창함에 따라 기본 입자를 이들의 질량에 따라 분류했던 중입자, 중간자, 경입자 등의 명칭은 그 의미를 상실했다. 경입자에 속하는 뮤 입자는 중간자에 속하는 파이 입자와 질량이 비슷하며, 중간자에 속하는 것으로 1974년에 발견된 프사이 입자는 질량이 중입자에 속하는 양성자 질량의 3배가 넘는다.

 

즉 현계에도 중입자, 중간자, 경입자 등의 분류체계는 그대로 사용되지만 이미 기본 입자들을 질량에 따라 분류하는 것이 아니고 그 입자들이 가진 다른 중요한 물리적인 성질에 따라 분류하는 체계로 활용된다.

 

기본 입자와 쿼크 이론

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데모크리토스

2천여 년 전 그리스의 데모크리토스에 의해 물질의 궁극적 구성입자로서 제기되었던 '원자' 관념은 19세기에 이르러 거의 완전한 과학적 기반을 마련하는 듯하였으나 정작 원자의 구조가 구체적으로 알려지기 시작하자 이것이 물질의 궁극적 구성입자가 아님이 밝혀져 그 본래의 의미를 상실하게 되었음을 우리는 앞에서 보았다.

 

그러나 이것으로 데모크리토스의 원자 사상이 완전히 무너진 것은 아니다. 데모크리토스가 더 이상 나누어질 수 없는 기본입자로 본 것이 우리가 현재 원자라고 부르는 그 어떤 것이 아니라 이들을 구성하고 있는 전자, 양성자, 중성자 등의 기본 입자들이라고 해석한다면 그의 원자 사상은 아직도 대부분 그대로 살아남아 있는 것이다.

 

사실상 극히 최근까지도 대부분의 물리학자들이 이들을 소립자 또는 기본입자라고 하여 물질의 궁극적 구성입자로 생각해왔다. 앞에서 보아왔듯이 이러한 입자들은 이들 간에 서로 미치는 상호작용에 의해 원자 및 원자핵을 이루며 다양한 모든 물질 현상을 일으키는 주체가 되고 있다. 이러한 의미에서 이들을 데모크리토스의 원자에 해당하는 기본입자라고 보아 커다란 무리가 없는 것으로 생각되었다.

 

그러나 1950년대에 들어오면서 이러한 관념에 의심이 가기 시작하였다. 그 첫째 원인으로는 이른바 기본 입자라고 생각해야 할 입자의 종류가 터무니없이 자꾸 늘어만 가는 점이었다. 초기에 전자, 양성자, 중성자 등 불과 서너 개의 기본 입자가 존재한다고 생각했던 것이 현재에는 200종을 넘어섰으며, 지금도 자꾸 증가하는 추세에 놓여 있다. 뿐만 아니라 이들은 대부분 극히 짧은 시간밖에 존재하지 못하고 곧 다른 입자들로 변해버린다. 사실항 전자, 양성자, 중성자를 제외한 나머지 입자들은 수명이 길어야 불과 백만분의 1 정도이고 대부분의 입자들도 이보다 훨씬 수명이 더 짧다.

 

이러한 점들은 생성도 소멸돼 되지 않는 존재로서의 기본 입자 관념과 커다란 차이를 가지는 것이다.

 

겔만

그러나 이들 입자들이 궁극적 기본 입자라는 관념에 결정적인 타격을 가한 것은 1963년 경 미국의 물리학자 겔만이 제시한 이른바 쿼크 이론이다. 그는 강한 상호작용에 관여하는 모든 중입자들과 중간자들이 쿼크라고 불리는 좀 더 기본적인며 책의 입자들의 결합으로 구성되어 있다고 제안하였다.