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노르웨이 트론드하임대학의 두 물리학자인 T.오버가드와 E.오스트가드씨는 물질을 형성하는 기본입자인 쿼크를 찾고 있다.

일반적으로 물질은 밀도가 과히 높지 않다. 예를 들어 물은 1cc에 1그램의 밀도를 가졌다. 이는 원자의 가장 밀도 높은 부분인 중심의 양성자가 다른 양성자들로부터 전자들에 의하여 분리되어있기 때문이다.

어떤 분자들은 여러개의 서로 꼭 붙은 양성자와 중성자들로 구성된 원자핵을 갖고 있다. 이 원자핵들도 전자들에 의해 분리되어 있긴 하지만 물보다도 훨씬 높은 밀도의 분자를 만든다. 예를 들어 금속인 오스뮴은 1cc에 22그램의 밀도를 가졌다.

태양과 같은 천체 중앙의 물질은 엄청난 열과 압력때문에 원자들은 찢겨 헤어지고 원자핵들도 자유자재로 이동하며 다른 보통물질에 있는 것들보다 훨씬 가까이 서로 밀착될 수 있다. 그러한 물질은 지구상의 어떤 것보다 높은 밀도가 되며 이를 ‘변질된 물질’이라 부른다.

별이 폭발하면 그 별은 부분적으로 공모양의 변질된 물질로 붕괴되어 '백색 왜성(矮星)'이 된다. 이 경우, 크기는 지구보다 작지만 질량은 태양과 맞먹는다. 거대한 별의 모든 질량이 조그마한 행성으로 압축되었을때 그 물질의 밀도가 얼마나 높을 것인가는 쉽게 상상할 수 있을 것이다.

그러나 이는 궁극적인 상태는 되지 못한다. 백색왜성에서도 원자핵은 전자들에 의해 어느 정도 분리되어있다. 그러나 만약 백색왜성이 충분히 크고 무겁다면 원자핵은 전자들이 더 이상 대항하지 못할 하나의 점으로 붕괴되어버리고 만다.

이때 발생하는 상황은 양성자가 중성자로 바뀌는 것이다. 중성자는 전하(電荷)가 없으므로 서로 밀치지 않는다. 따라서 모든 중성자들은 붕괴되어 서로 밀착됨으로써 그 결과로 '중성자성(星)'을 탄생시키는 것이다.

중성자성은 중성자 하나의 밀도가 1cc에 15,000,000,000,000,000그램이 된다. 또한 중성자성은 태양의 질량을 직경 약 8마일(13km정도)의 조그마한 천체로 압축시킬 수 있다.

이러한 중성자성은 지난 1969년에 발견된 적도 있다.

그러나 중성자는 독립된 입자가 아니다. 중성자는 세개의 쿼크로 구성되어 있다. 따라서 중성자들은 더욱 서로 가깝게 압축될 수 있고 개개의 쿼크로 깨져 또다시 더욱 더 압축되어 보다 밀도높은 별을 생성할 수 있는 가능성이 있는 것이다. 그러한 쿼크별은 물질로 형성된 가장 밀도높은 물체가 될 수 있을 것이다. (그러나 쿼크조차도 부서질 수 있고 이 경우 별은 질량만 가지고 형태는 없는 것으로 축소되어 버린다. 즉 '블랙홀’이 되는 것이다).

우리가 중성자성을 발견할 수 있는 근거는 중성자성이 급회전하며 소량의 전파를 쏘는 경향이 있기 때문이다. 어떤 중성자성은 너무 빨리 회전하는 바람에 수천분의 1초마다 전파를 발사한다. 그러한 회전속도라면 그 엄청난 질량의 중성자성이라도 제 모습을 유지하기가 힘들어진다. 오버가드와 오스트가드 씨는 만약 2천분의 1초보다 더 짧은시간에 한바퀴 회전하는 중성자성을 찾을 수만 있다면 그 결과는 중성자성이 아닌 쿼크별일 것이라고 믿고 있다. 또한 호주 시드니 대학의 브라이언 맥커스커는 만일 쿼크별이 존재한다면 그 별의 쿼크들은 안정된 형태이리라고 생각한다.

아직은 아무도 지구상에서 쿼크를 발견하지 못했으며 쿼크의 발견은 불가능하다고 믿고있는 과학자들도 있다. 그러나 어쩌면 쿼크별이 만들어진다해도 그 중 일부분이 회전시 떨어져 나가는지도 모른다. 그 결과는 수백개정도의 쿼크로만 형성된 ‘쿼크 덩어리’가 될 뿐이다.

그러한 쿼크덩어리들은 꽤나 많은 숫자가 되고 우주를 떠돌아 다니고 있으며 그 중 몇은 가끔씩 지구로 추락할 가능성도 없지 않다. 최근 일본의 물리학자들은 그와 같은 덩어리를 발견했다고 발표했지만 아직은 확인되지 않았다.

쿼크덩어리가 지구의 대기에 부딪히면 세 쌍둥이로 니뉘고 각각은 중성자나 양성자가 될는지 모른다. 그렇더라도 개개의 쿼크들은 남아 우주선(線) 속에서 모습을 나타낼 지도 모른다. 각각의 쿼크는, 다른 그 어떠한 입자들도 가질 수 없으며 또한 그런 상태로 발견될 수도 없는 아주 적은 양의 전하를 띠고 있을 것이다.

미소한 전하를 갖춘 입자가 발견되었다는 예는 그동안 가끔씩 있어왔지만 그 어느 것도 확인되지 않았다.

그래서 '쿼크의 사냥'은 계속되고 있다.

만약 쿼크가 탐지될 수 없는 것이라면 그들이 실제 존재하는가의 여부를 어떻게 알 수 있느냐고 물을 수 있다.

그 답은 추론에 의해서이다. 과학자들은 1913년 원자의 존재를 실제 증명할 수 있기 전인 1808년부터 원자의 존재 논리를 받아들였다.

원자물리학의 많은 이론은 쿼크가 존재하며 서로간에 어떻게 반응한다는 가정하에서만 설명되고있어 쿼크의 존재를 부정한다함은 거의 불가능한일이 되어버렸다.

그렇지만 쿼크가 존재한다는 가정이 얼마나 타당한 것으로 인정되든간에 물리학자들은 정말 그 하나만이라도 찾고싶어 한다.

Two physicists from Norway, T. Overgard and E. Ostgaard of the University of Trondheim, are searching for quarks, the fundamental particles that make up matter.

Ordinary matter is not very dense. Water, for instance, has a density of one gram per cubic centimeter. That is because the really dense part of the atom, the proton at the center, is kept away from other protons by electrons.

Some elements have nuclei consisting of many protons and neutrons all clinging together. These nuclei are kept apart by electrons but even so such elements are denser than water. The metal osmium has a density of 22 grams per cubic centimeter, for instance.

Matter at the center of a star, like our sun, is subjected to so much heat pressure that the atoms are torn apart and the nuclei move around freely and can approach each other much more closely than they can in ordinary matter. Such matter is much denser than anything on Earth and is called "degenerate matter."

When a star explodes, part of it can collapse into a ball of degenerate matter and it becomes a "white dwarf." In that case, its size is usually smaller than that of Earth, but it contains as much mass in it as the sun. All that star's mass squeezed into the space taken up by a small planet-you can imagine how dense that matter must be.

Yet that is not the ultimate. Even in a white dwarf, the nuclei are kept apart to some extent by electrons. However, if the white dwarf is large enough and massive enough, the nuclei simply collapses to the point where the electrons cannot hold them back.

What happens then is that protons are turned into neutrons. The neutrons have no electric charge and do not repel each other. All the neutrons therefore collapse until they are touching and the result is a "neutron star."

A neutron star has the density of a neutron, which amounts to 15,000,000,000,000,000(15 quadrillion U.S.) grams per cubic centimeter. A neutron star can squeeze the mass of a sun into a small globe of perhaps 8 miles (13 kilometers) across.

Such neutron stars were discovered in 1969.

But neutrons are not individual particles. They are composed of three quarks each and there is the possibility that as neutrons are squeezed closer and closer together, they break up into the individual quarks that can squeeze together still more closely and produce a star that is still denser. Such a quark star would be the densest possible material made up of matter. (Even the quarks can smash and when that happens, the star simply shrinks to nothingness though it retains its mass. It becomes a "black hole.")

We can detect neutron stars because they tend to give off tiny bursts of radio waves as they rotate very rapidly. Some neutron stars rotate so rapidly that they send out a burst every few thousandths of a second. At such a rate of turning, even a neutron star, with all its density, can hardly hold itself together.

Overgard and Ostgaard believe that if they can find a neutron star that rotates in less than 1/2,000 of a second, it will simply not be a neutron star, but will be a quark star. Brian McCusker of the University of Sydney in Australia thinks that of quark stars did exist, the quarks would be stable.

No one has ever really detected a quark on Earth and there are some scientists who believe it is impossible to detect them. On the other hand, it may be that once a quark star forms, bits of it will be torn loose as it turns. The result would be "quark globs," each made up of perhaps hundreds of quarks.

Such quark globs may be wandering through the universe in considerable numbers and some may occasionally fall to Earth. Recently, physicists in Japan report they have detected a glob but that has not been confirmed.

Once a glob hits Earth's atmosphere, it may break up into triplets, each triplet forming a neutron or a proton. On the other hand, there might be individual quarks left over and they would show up in cosmic rays. Individual quarks would have fractional electric charges, something no other particles have and would be detected in that fashion.

There have been several occasions on which particles with fractional electric charges have been reported, but none of these has been confirmed.
So the "hunting of the quark" continues.

We might ask ourselves-if we never really detect quarks, how do we know they really exist?

By inference. Beginning in 1808, scientists accepted the existence of atoms before they actually had good evidence of them in 1913.

So many aspects of nuclear physics are explained by supposing that quarks exist and react with each other in certain ways that it becomes almost impossible to deny their existence.

Nevertheless, no matter how sensible it is to suppose they exist, physicists would like to detect one.
(c) 1991, Los Angeles Times Syndicate