갇힌 쿼크

자연에서 물체가 구성되기 위해서는 여러 단계에서 잠겨있어야 한다. 가령 생명체는 세포를 기반으로 하는 물체이며 세포라고 하는 시스템이 잠겨있어야 한다. 세포로 잠겨있지 않은 상태는 세포가 파괴된 상태이거나 세포를 형성하지 못한 상태이므로 생명체가 성립할 수 없다. 또한 세포를 형성하기 위해서는 세포 안에 있는 여러 소기관들 가령 핵이나 미토콘드리아 세포막 등이 갇힌 상태로 자기 형태와 기능이 항상성 있게 작동돼야 한다. 더 내려가면 생명체를 구성하는 여러 생체 분자들 역시 자기 형태와 역할을 수행하기 위하여 갇혀있다고 말할 수 있다. 생명체나 일상의 물체만이 아니라 천체 역시 특정한 계(시스템)에 갇혀있다. 가령 지구는 태양에 속박되어 공전하면서 자전하기 때문에 생명이 살아갈만한 평형상태를 유지하고 있고, 태양 역시 우리은하에 갇혀서 안정된 궤도로 약 2억 3천만 년을 주기로 공전하고 있다. 태양계의 나이가 46억 년 정도이니 이미 우리은하를 20 바퀴 회전한 셈이다. 원소는 원자핵과 전자로 구성되며 닫혀있고 양성자와 중성자는 강한 상호작용에 의하여 원자핵에 갇혀있다. 물질의 기본입자 중의 하나인 쿼크는 양성자나 중성자 혹은 다른 강입자(Hadron 강한 상호작용을 하는 입자라는 뜻이며, 中간자(Meson)와 重입자(Bayron)로 분류되고 쿼크로 구성된다) 안에 갇혀있다.

입자의 분류

그런 갇혀있기만 해서는 자연현상이 다채로울 수 없고 변화는 무미건조해진다. 원자는 잠근 문을 열어서 전자를 밖으로 내보내거나 받아들일 수 있고, 이러한 사건은 화학적 현상으로 나타난다. 단백질은 아모노산으로 분해되어 다른 단백질을 구성할 수 있는 기회를 갖게 되고, 녹말은 포도당으로 분해되어 뇌에서 사용할 수 있는 형태로 사용되며 포도당은 세포호흡을 통하여 분해되며 에너지 화폐인 ATP를 형성한다. ATP는 인산을 덜어내어 ADP로 변함으로써 에너지를 방출하여 생명체의 각종 물질대사를 가능하게 하고, ADP는 문을 열고 인산을 받아들여 에너지를 축적하면서 재생 가능한 속성을 갖는다. 화학적 현상은 여러 원자들이 서로 문을 열고 결합하며 다양한 분자로 변하면서 생기는 자연현상이며, LCD는 일부의 빛들을 투과시키며 다양한 색을 표현 한다. 이렇듯 생명체나 물체 혹은 천체들은 잠긴 상태로 작동하면서도 잠김이 풀린 상태가 가능하기 때문에 변화를 가질 수 있다.

그러나 쿼크에 대해서는 이런 말을 할 수가 없다. 늘 잠겨있기 때문이다. 가령 위 쿼크 2개와 아래 쿼크 한 개의 3개의 쿼크로 구성되었다고 볼 수 있는 양성자는 열리지 않는다. 쿼크 속박(quark confinement)이라고 불리는 강한 상호작용의 특성 때문에, 쿼크는 다른 물질과 달리 독립된 형태로 관측되지 않는다. 결합된 모든 시스템이 열릴 수 있지만, 쿼크는 다른 입자로 변환한다고 하더라도 개별적으로 존재하지 않고 쿼크와 반쿼크 혹은 쿼크와 쿼크들의 결합된 상태로만 존재한다. 자연에서 가장 강력하게 잠겨있다. 잠겨있다는 표현을 썼지만, 현대 물리학에서 쓰는 방식으로 표현한다면, “쿼크 각각은 색깔이 있으며 색깔을 가진 상태의 입자로 자연에 나타나지 않는다”로 말할 수 있다. 양전하를 띤 원자핵이 음전하를 띤 전자와 저자기력으로 묶여있는 것처럼, 강한 상호작용은 R(빨강), G(초록), B(파랑)이라고 이름 붙인 3 종의 색 전하(color charge)를 갖고 색이 없는(colorless) 혹은 흰색(white R, G, B가 혼합된 것이 흰색이며 흰색은 단일 색이 아니라 혼합색이다) 상태로 쿼크를 묶는다.

Fields due to color charges, as in quarks (G is the gluon field strength tensor). These are “colorless” combinations. Top: Color charge has “ternary neutral states” as well as binary neutrality (analogous to electric charge). Bottom: Quark/antiquark combinations.

쿼크는 우리가 보고 만지고 우리를 구성하는 물질에 있어서 중심을 차지하며 안쪽에 있다. 쿼크 사이에 작용하는 힘은 자연의 기본적인 힘들 가운데서도 가장 크다고 할 수 있는데, 강력이 양성자와 중성자 밖으로 새어나온 힘이지만 핵력이라고 불리어지는 큰 힘으로 전자기적 반발력을 넘어서 원자핵을 구성하며 원소를 안정화 시킨다. 원자 질량의 대부분을 차지하고 원자 중심을 차지하는 원자핵은 핵자(양성자, 중성자)로 구성되고, 핵자는 쿼크로 구성되기 때문에 어찌 보면 물질을 구성하는 중심으로 여겨질 수도 있다. 마치 끊어지지 않는 용수철처럼 쿼크들은 서로 가까이 있을수록 자유롭고 멀리 떨어질수록 강한 힘으로 서로를 속박하면서 잠겨있다.

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