세 개의 쿼크 (한겨레)

원자는 ‘더 이상 쪼갤 수 없는’ 입자가 아니었다. 양성자와 중성자마저 기본 입자가 아니었다. 양성자 안에는 전하를 띤 ‘무언가’가 있었다. 이 이야기는 그 무언가에 ‘쿼크’라는 이름을 지어주고, 쿼크의 성질과 본성을 밝히는 여정이다.
물리학은 퀴즈가 아니었다. 물리학은 질문과 답을 동시에 찾는 과정이었다. 우리가 항상 물었던 “세상은 무엇으로 이루어져 있나”라는 질문에 대한 답은 하나가 아니었다. 기본 입자는 여럿이었다. 이 세상의 모든 원소를 한 장의 주기율표에 넣을 수 있는 것처럼, 우리는 이 세상의 모든 기본 입자를 표준 모형이라는 하나의 표에 담았다. 그리고 그들 사이의 상호작용을 네 개의 근본 힘으로 설명했다. 마치 체스의 규칙은 A4 반 장에 담을 수 있을 정도로 간단하지만, 체스가 펼칠 수 있는 게임의 수는 무궁무진한 것처럼 말이다. 이렇게 우리는 “세 개의 쿼크”로, 우주의 질문에 답을 할 수 있게 되었다.
쿼크는 그 과정에서 여러 사람에게 노벨상을 안겼다. 쿼크라는 입자를 상정해 수없이 발견되던 낯선 입자들을 일목요연하게 정리한 머리 겔만은 쿼크의 아버지라고 부를 만하다. 쿼크가 양성자와 중성자 안에서 어떻게 상호작용하는지 밝혀낸 데이비드 그로스와 프랭크 윌첵, 데이비드 폴리처는 ‘점근적 자유성(asymptotic freedom)’이라는 개념을 도입해 쿼크와 힘에 관한 새로운 시각을 열어 주었다.
양성자는 쿼크로 이루어져 있지만, 우리는 쿼크를 볼 수 없다. 쿼크 가둠 혹은 색가둠(color confinement)에 의해 쿼크는 양성자 바깥으로 나갈 수 없기 때문이다. 쿼크는 색전하에 의해 힘을 받는다. 전기력에 플러스와 마이너스라는 두 개의 전하가 있다면, 양자색역학에는 빨강, 초록, 파랑이라는 세 개의 전하가 있다. 양성자와 중성자를 비롯한 물질을 구성하는 입자가 세 개의 쿼크로 이루어진 이유다. 이렇게 양성자가 다른 근본 입자로 구성되어 있다는 것을 가속기 실험으로 밝혀낸 제롬 프리드먼과 헨리 켄들, 리처드 테일러도 당연히 노벨상을 받았다.