머리 겔만 · 쿼크
100가지가 넘는 입자를 더 적은 것으로 줄일 수 있을까?
그때 그곳
1950년대에 가속기가 커지면서 새 입자가 쏟아져 나왔습니다.
처음에는 양성자와 중성자, 전자면 충분했습니다. 그런데 파이온이 나오고 케이온이 나오고 람다, 시그마, 크사이가 나오더니 이름이 100가지를 넘어갔습니다. 게다가 대부분은 만들어지자마자 사라지는 것들이었습니다.
페르미가 이 이름을 다 외울 수 있었다면 자기는 식물학자가 됐을 거라고 말했다는 이야기가 전해집니다. 기본 입자가 100가지라면 그건 기본이 아닙니다.
왜 이 질문이었나
겔만은 주기율표가 했던 일을 떠올렸습니다. 멘델레예프는 원소를 성질에 따라 표에 늘어놓았고, 빈칸이 남았고, 나중에 그 빈칸이 채워졌습니다.
겔만은 입자들을 성질에 따라 늘어놓아 보았습니다. 전기의 양을 한 축으로, 그 입자가 얼마나 '이상하게' 오래 사는지를 나타내는 성질을 다른 축으로 삼으니, 입자들이 팔각형과 삼각형 모양으로 깔끔하게 놓였습니다. 바다 건너 다른 물리학자도 같은 해에 같은 배열에 닿았습니다. 1961년, 겔만은 이 배열에 팔정도라는 이름을 붙였습니다.
삼각형 배열에 빈자리가 하나 남았습니다. 그는 그 자리에 들어갈 입자의 질량과 전하와 기묘도를 예측했습니다.
1964년 브룩헤이븐에서 오메가 마이너스가 발견되었습니다. 예측한 값과 거의 맞았습니다.
알아낸 것
그렇다면 왜 하필 이런 모양으로 배열될까요.
겔만은 더 작은 세 종류가 조합을 이룬다고 가정하면 이 표가 저절로 나온다는 것을 알아냈습니다. 셋을 두 개씩 또는 세 개씩 묶으면 팔각형과 삼각형이 정확히 재현됩니다.
문제는 그 알갱이가 가져야 하는 전하였습니다. 전자 전하의 3분의 1과 3분의 2. 분수 전하는 그때까지 아무도 본 적이 없었고, 지금도 홀로 떼어낸 것을 본 사람은 없습니다.
겔만은 이름을 조이스의 소설에서 따와 쿼크라고 붙였습니다. 그리고 첫 논문에서 이것이 실재하는 입자가 아니라 계산을 편하게 하는 장치일 수도 있다는 여지를 남겨두었습니다. 같은 해 다른 젊은 물리학자도 혼자 같은 생각에 닿았지만, 그의 논문은 학술지에서 거부당했습니다.
1968년 스탠퍼드에서 전자를 양성자에 아주 세게 쏘아보았습니다. 전자가 튕겨 나오는 각도의 분포가, 양성자 안에 딱딱한 알갱이가 셋 들어 있을 때의 모양이었습니다. 반세기 전 금박에 알갱이를 쏘아 원자핵을 찾아낸 것과 같은 방식이었습니다.
쿼크는 계산 장치가 아니었습니다.
100가지가 넘는 입자들이 각각 그 자체로 기본 입자라고 여겨졌다
팔정도가 예측한 오메가 마이너스의 발견, 그리고 1968년 양성자 속에서 알갱이 셋에 튕기는 모습을 본 산란 실험
쿼크와 힘을 나르는 입자로 이루어진 표준모형이 세워지고, 2012년 힉스 입자로 마지막 칸이 채워진다