Brief History of Particle Physics

I. The Old Days

고대 그리스, 데모크리토스는 모든 물질이 쪼개질 수 없는 작은 입자로 이루어져 있다고 주장했다. 이 입자들의 이름은 'Atomos', 쪼개질 수 없는 입자다. 시간이 지나 돌턴은 잊혀졌던 데모크리토스의 '원자론'을 재발견했고. 이 가설이 현대의 표준모형의 시초로 여겨진다.

이후의 이야기도 익숙할 것이다. 톰슨은 음극선 실험을 통해 전자를 발견했고, 러더퍼드는 알파입자 산란 실험으로 핵의 존재성을 발견했다. 그리고 채드윅이 중성자를 발견함으로써 우주의 기본 입자를 모두 발견했다고 믿었다.

II. Nothing is Perfect

그러나 과학사가 항상 그렇듯 완벽하다고 믿었을 때가 불완전을 깨닫기 직전이다. 1964년에 조지 펄러 교수 등에 의해 업 쿼크(up quark)와 다운 쿼크(down quark)가 발견되고, 이후 우후죽순으로 다른 4 개의 쿼크들 - 탑 쿼크(top quark), 바텀 쿼크(bottom quark), 참 쿼크(charm quark), 야릇한 쿼크(strange quark)가 발견되었다.

가장 먼저 발견된 기본 입자는 가장 앞에 언급되었던 전자라면, 두 번째로 먼저 발견된 입자는 무엇일까? 바로 광자이다. 광자는 빛을 이루는 기본 입자라고 알려져 있으며, 질량이 0이라는 신기한 성질을 가지고 있는 보손이다(이후 설명, The God Particle 문서 참고). 20세기 초, 아인슈타인은 광전효과를 발표함으로써 빛을 입자가 매개할 수 있다는 가능성이 제기되었고, 1923년 콤프턴의 산란실험을 통해 존재성이 입증되었다.

그렇다면 다른 기본 입자들은 어떻게 발견되었을까? 광자가 발견된 직후인 1930년에 물리학자 파울리(Wolfgang Pauli)가 베타 붕괴에서 방출되는 미지의 입자가 있을 것이라는 예측을 했고, 1956년에 그 입자의 관측에 성공한다. 이 입자의 이름은 뉴트리노로,관측을 성공한 연구팀은 이후 1995년에 노벨 물리학상을 수상한다.

그 다음 발견된 입자는 '뮤온'이라고 불리는 입자다. 1936년 칼 앤더슨 (Carl D. Anderson)과 세스 네더메이어(Seth H. Neddermeyer)는 우주선을 분석하던 중 새로운 입자를 발견했는데, 다른 입자인 메손(meson)의 일종으로 추측한 것과 달리 새로운 기본 입자인 뮤온(muon)이라는 것이 밝혀졌다. 뮤온은 일종의 쌍으로 뮤온 뉴트리노라는 입자가 존재하는데, 그 입자는 1940년대에 존재성이 추측되고 1962년 리언 레더먼, 멜빈 슈워츠, 잭 스타인버거가 발견한다.(여담으로, 만약 이 블로그를 여러번 들어왔고 리언 레더먼이라는 이름이 뭔가 익숙하다면, 그건 당신이 힉스 입자에 대한 글을 읽고 왔기 때문이다.)

III. The Others

이 다음에 소개할 입자들은 앞서 소개한 입자들과 조금 성질이 다르다. 오히려 광자에 가깝다. 가장 먼저 소개할 입자는 글루온이다. 글루온은 1978년 DESY(독일의 입자가속기 연구소)에서 최초로 존재 증거가 파악된 후, 1979년에 같은 연구소에서 결정적인 증거가 발견되어 글루온도 기본 입자 중 하나로 인정받게 되었다.

1979년에서 조금만 거슬러 올라가서 1967년으로 가보면 스티븐 와인버그와 압두스 살람이 각각 독립적으로 전약력 이론이라는 이론을 도입함으로써 그 힘을 매개하는 입자를 설정했다. 이 입자들은 W와 Z 보손으로 불리는 입자들로, 1983년에 카를로 루비아(Carlo Rubbia)와 시몬 판 데르 메이르(Simon van der Meer)가 실험적으로 발견하고 이듬해인 1984년에 노벨 물리학상을 수상한다. 재미있는 사실은 스티븐 와인버그와 압두스 살람이 노벨 물리학상을 받은 해는 1979년으로, 글루온의 존재가 인정받은 해와 같다.

이 시점에서 기본 입자는 힉스 입자 하나가 남았다. 그러나 힉스 입자는 이미 앞서 다른 글에서 역사를 나름 자세히 다루었기 때문에 넘어가겠다. 관심있는 독자들은 힉스 입자에 관한 글도 읽어보는 것을 추천한다.

IV. Conclusion

이로써 표준 모형의 기반인 기본입자들의 발견 과정에 대해 다루었다. 이 글을 읽고 난 뒤, 질문이 생길 것이다. 도대체 표준 모형이 뭐고, 기본 입자는 무엇이며, 어떻게 발견했다는 건지. 사실 이 글은 기본입자의 기본적인 역사에 대한 글이였다. 다음 글에서는 표준모형이 무엇인지에 대해, 그 다음 글에서는 기본 입자와 기본 입자의 성질에 대해 다루겠다. 아무튼, 길고 어수선한 글을 읽은 모두에게 감사하며, 본격적으로 물리학의 세계에 발을 들인 것을 환영한다.