d라이브러리

미국의 페르미 연구소는 가정된 이론을 모두 만족시키는 톱쿼크의 발견을 눈앞에 두고 있다.

미국 입자물리학계의 중심연구기관인 페르미 연구소는, 아직 실체를 확인하지 못한 t쿼크(top quark)를 발견할 기회를 곧 맞을듯하다.

지금끼지의 입자가속기는 t쿼크를 발견하는데 실패했다. 그것은 질량으로 표현되기에는 아주 미약한 에너지를 갖고 있기 때문이다. t쿼크가 발견되면 지금까지 이론으로 받아들여졌던 입자구조의 표준모델이 완벽하게 증명된다. 최근 20여년 동안 입자물리학의 연구성과는 아원자(subatom, 양성자나 중성자 전자를 가리킴)의 세계가 전자 하나가 갖는 전하의 3분의1 혹은 3분의2를 갖는 쿼크라고 불리는 물질로 형성했다는 사실을 확인했다.

쿼크는 성격상 단독으로 존재하는 것이 불가능하지만, 양성자(proton)나 우주선(cosmic ray)에서 발견된 π중간자(pion)의 연구결과, 그들이 확실히 존재하기는 존재한다는 사실을 알아냈다. 물리학자들은 최소한도 여섯종류의 쿼크(up, down, charm, strange, top, bottom)가 있음을 추론했고 이중 t쿼크를 제외한 5종류를 확인했다.

아원자 내에서의 기본입자는 전자와 같은 종류의 쿼크와 렙톤이다(과학동아 90년 7월호 참조). 그들에게 작용하는 힘은 쿼크들을 묶어주는 역할을 하는 강한 핵력과 전자기력과 약력(방사성 붕괴를 일으키는 힘)의 합성형태인 전자약력(electroweak force) 등이다.
 

b쿼크의 짝

이론적인 표준모델에 따르면 쿼크는 항상 쌍을 지어 존재한다. u쿼크와 d쿼크, c쿼크와 s쿼크, 그리고 b쿼크와 가정된 t쿼크. 쌍이론의 수학적 묘사는 반드시 b쿼크의 짝인 t쿼크가 존재한다는 것을 확신시켜준다.

어디에 t쿼크가 있을까. b쿼크는 무거운 입자로서 양성자보다도 약 5배나 더 무겁다고 알려져 있다. 그렇다면 t쿼크는 s쿼크나 c쿼크보다도 확실히 무거울 수밖에 없다.

80년대 내내 높은 에너지로 입자들을 총돌시켜 t쿼크를 찾으려는 노력이 계속됐으나 아직까지 성공하지 못했다. 그러나 올해 서광이 비치기 시작했다. 새로운 결과는 지구상에서 가장 뛰어난 입자가속기로부터 나올듯하다.

유럽 입자물리학연구센터(CERN)는 LEP(거대 전자 양전자충돌기)를 이용해 Z°라 알려진 입자의 붕괴과정에서 t쿼크를 찾아내려 했다. 양성자의 1백배 질량을 가진 Z°는 여러가지 형태로 붕괴하는데, 그중의 하나가 쿼크와 반쿼크(antiquark)를 경유한다. 그러나 CERN의 연구자들은 지금까지 알려진 다섯가지 종류의 쿼크보다 무거운 입자를 발견하지 못했다. 다만 t쿼크는 45.8 GeV(${10}^{9}$전자볼트) 이상일 것이라는 결론만을 내렸다.

LEP의 고에너지 충돌은 1백GeV다. 따라서 이 기계는 무거운 t쿼크와 반t쿼크로 구성된 입자는 만들어낼 수 없다. 하지만 페르미 연구소의 테바트른 충돌기에서는 양성자와 반양성자 빔을 1천8백GeV의 에너지로 충돌시킬 수 있다.

이 연구팀은 현재 t쿼크의 질량이 77GeV보다는 크다는 사실을 확인했다. 이 결과는 CERN의 연구성과보다 한발 앞선 것이다. 그러나 이론적으로 계산된 t쿼크의 질량은 1백30~2백 GeV이다. 이 범위내에 있어야만 이론적인 표준모델의 모든 가정을 만족시킬 수 있다. 수주 내에 예정된 페르미 연구팀의 다음번 실험에서는 1백30GeV의 질량을 갖는 t쿼크가 발견될 것으로 예상되고 있다. 여기서 실패한다면 1993년에 가동될 새로운 선형가속기를 이용, 재도전할 계획이다. 페르미의 최종 목표는 2백GeV의 질량을 갖는 t쿼크를 찾는 일이다.

t쿼크의 발견은 입자구조를 완벽하게 밝힐 수 있을뿐더러 우주대폭발(Big Bang) 이후 생명체가 어떻게 탄생했는지를 밝혀주는 일과도 밀접한 관련이 있다.