d라이브러리

미국 일리노이주 바타비아에 위치한 페르미 연구소의 물리학자들은 마지막 입자를 찾기위한 대규모 작업을 준비 중이다. 그 작업이란 다음과 같다.
현재의 소립자 물리론은 우주가 렙톤과 쿼크라는 두 종류의 입자로 형성돼 있다고 이해한다. 그 각각은 세 쌍으로 구성되어 있으며 각 쌍은 '플레이버'라고 불리운다.(즉 '맛'-성격이 다른 입자들이라는 의미다.)

렙톤의 세가지 플레이버는 1) 전자와 중성미자, 2) 뮤온과 그것의 중성미자, 그리고 3) 타우와 그 중성미자다. 즉 6개의 렙톤이 된다. 여기에 각 입자는 대칭입자, 혹은 반입자를 지니므로 모두 12개의 렙톤이 있는 셈이다.
이들 모두는 실제로 발견됐으며 최근 물리학자들은 다소 복잡한 추론과정을 거쳐 위 세가지 플레이버외에 다른 유형의 렙톤은 존재하지 않는다는 결론에 도달했다. 모든 렙톤들이 파악됐다는 것이다!(사실 이들 렙톤들 중에서는 전자와 전자중성미자들만이 우리의 일상 생활에 중요한 역할을 담당하고 있지만 물리학자들은 모든 플레이버들을 소중히 여기며 우주에서 없어서는 안될 요소라고 주장한다.)

물리학자들에 있어 대칭구조는 매우 중요하다. 따라서 렙톤의 상황이 쿼크에도 반영돼야 한다고 생각한다. 결국 쿼크에도 세가지의 플레이버가 존재해야만 하는데 이들은 1) 업 쿼크와 다운 쿼크, 2) 스트레인지 쿼크와 참드 쿼크, 그리고 3) 톱 쿼크와 바텀 쿼크로 불린다. 각각에는 반입자가 있으므로 총 12개의 쿼크가 존재하는 셈이다.
쿼크들은 독립된 입자로서는 발견되지 않았으며 또한 발견될 가능성도 희박하다. 이들은 둘씩, 셋씩 아주 강하게 결합되어 있어서 분리시킬 수 없는 것이다.

그러나 이렇게 결합된 쿼크들은 더욱 복잡한 또 다른 입자들을 형성하므로 (1백개 이상의 유형이 알려져 있다) 이러한 큰 입자들로부터 내재된 쿼크의 성질을 찾아볼 수 있다. 사실 첫번째 쿼크 플레이버인 업 쿼크와 다운 쿼크만이 우리 일상생활에 유용하다. 왜냐하면 원자핵에서 발견되는 양성자와 중성자가 이들로부터 만들어지기 때문이다. 물론 물리학자들은 쿼크의 모든 플레이버들을 소중히 여기지만 말이다.
쿼크를 내재한 입자들로부터 각각의 독립된 질량(말하자면 무게)을 계산해 내는 것은 가능하다. 일반적으로 쿼크는 렙톤보다 무거우며 이 사실은 매우 중요하다. 질량이란 에너지의 형태이고 입자가 무거울수록 현대의 원자분쇄기로 그 입자를 만드는데 필요한 에너지가 더 많이 소요되며 이를 발견하기도 어렵기 때문이다.

가장 가벼운 업 쿼크는 전자의 5배, 그리고 다운 쿼크는 7배의 무게를 지니고 있다. 이들의 질량은 비교적 가벼운 편이며 지난 1963년 쿼크의 발견으로 노벨상 수상자가 된 머레이 겔 만에 의해 처음 확인된 후 일반에 널리 알려지게 됐다.
두번째 플레이버 중에서 1963년 이후 알려진 스트레인지 쿼크는 전자보다 1백50배 무거우나 이 역시 괜찮은 편이다. 그러나 참드 쿼크는 전자의 1천5백배 가량의 질량이므로 이를 내재한 입자 역시 무거울 수밖에 없고 입자로 형성되는 것 또한 매우 어렵다. 참드 쿼크를 포함한 입자들은 1974년이 되어서야 버튼 리처와 사무엘 팅에 의해 발견됐고 그들은 그 업적으로 노벨상을 수상했다.

마지막으로 쿼크의 세번째 플레이버가 있다. 지난 1978년에 발견된 바텀 쿼크는 전자보다 5천배 정도 무거운 것으로 파악됐다.
결국 톱 쿼크만 남는데 이는 모든 렙톤과 쿼크 중 마지막 입자인 셈이며 아직까지 발견되지 않은 유일한 입자가 된다. 물리학자들은 톱 쿼크가 존재한다고 확신하지만 실제로 그것을 내재한 입자를 발견하거나 창조해 보고 싶어한다.

그러나 문제는 톱 쿼크가 전자보다 적어도 4만 5천배 이상 무거울 것으로 추정되고 있으며 그 정도의 질량이라면 세계 최대의 원자분쇄기로 생산해낼 수 있는 최대의 에너지가 요구된다는 점이다.
가능은 하다. 흔히 W 입자로 알려져 있는 어떤 입자들은 실제로 물질을 구성하는 성분은 아니지만 어떠한 형태로 입자들이 상호 작용하도록 하는데 필요하다. 그런데 이 W 입자들은 톱 쿼크와 비슷한 무게를 갖고 있으며 지난 1983년에 노벨상 수상자인 카를로 루비아에 의해 발견됐다.

페르미연구소와 스위스 제네바에 있는 유럽입자물리학 연구센터(CERN)의 원자분쇄기는 서로 이 W 입자를 찾는 경주를 벌였고 승리자는 CERN이었다. 그러나 페르미 연구소는 91년 6월에 시작될 다음 경주에 더 많은 관심을 기울이고 있다. 페르미 연구소는 지금까지 방출해왔던 수준보다 더 높은 에너지 양으로 입자들을 분쇄할 준비를 하고 있다. 그렇게 분쇄한 파편들 가운데서 톱 쿼크를 포함한 입자가 발견되기를 기대하는 것이다.

만약 그들이 실패한다면, 물리학자들은 그들이 그동안 애써 정립한 전체 구조 설명틀에 대해 불안해 할 것이다.
그러나 톱 쿼크는 정말 마지막 입자일까? 아마도 그렇지는 않을 것이다. 앞서 언급한 W 입자와 관련된 것으로 힉스 입자라는 거의 알려지지 않은 입자가 있으며 아직은 발견되지도 않았다. 물론 물리학자들이 추측만 하고 있는 또 다른 입자들도 있을는지 모른다.

Physicists at Fermilab in Batavia, Ill, are preparing for a big push to detect the last particle, and here's what it's all about.
The current understanding of subatomic physics is that the entire universe is made up, essentially, of two kinds of particles : leptons and quarks. Each is made up of three pairs, and each pair is referred to as a "flavor."

The three flavors of leptons are : 1) electron and its neutrino ; 2) muon and its neutrino ; and 3) tauron and its neutrino. That's six leptons. Each particle has its mirror image, or anti—particle, so that's 12 leptons altogether.
All of these have actually been detected, and physicists have recently come to the conclusion, through rather involved reasoning, that these three flavors of leptons are all there are. We have them all! (Of the leptons, the electron and its neutrino are the only ones important in our everyday world, but physicists cherish all the flavors and consider them all indispensable parts of the universe.)

Physicists consider symmetry very important, so they feel the situation with leptons ought to be reflected in the other kind of particles, the quarks. There should be three flavors of quarks: 1)up—quark and down—quark; 2)strange—quark and charmed — quark; and 3) top—quark and bottom—quark. Each has its mirror image anti — particle, so there are 12 quarks altogether. The quarks have never been detected as isolated particles and probably never will be. They cling together very strongly in twos and threes, and cannot be pulled apart.

When they cling together, however, they form other, more complicated particles (over a hundred of them are known) and from these larger particles the properties of the constituent quarks can be worked out. It is the first flavor, the up — and down — quark, that are the only ones important in the everyday world, for out of them the protons and neutrons that are found in atomic nuclei are built up. However, physicists, here, too, cherish all the quarks' flavors.

From the particles containing the quarks, it is possible to deduce the mass (or heaviness, so to speak) of each individual quark. On the whole, the quarks are more massive than leptons. This is important, because mass is a form of energy, and the more massive a particle, the more energy it takes to create it in modern atom — smashing machines, and the more difficult it is to detect.

The up — quark, which is the least massive, has a mass about five times as great as the electron, and the down-quark has one about seven times as great. These are low masses, and the up — and down — quarks have been known since quarks were first discovered in 1963, by Murray Gell - Mann, who got a Nobel Prize for his work.

In the second flavor, the strange — quark, known since 1963, has a mass of about 150 times that of the electron and that isn't too bad, either. The charmed — quark, however, is about 1,500 times as massive as an electron, and any particle containing it must be more massive still and so is very hard to form. Particles containing charmed — quarks weren't discovered till 1974 by Burton Richter and Samuel Ting, who got Nobel prizes for accomplishing the task.

Last, there's the third flavor. The bottom — quark, discovered in 1978, has a mass of about 5,000 times the electron.
That leaves the top — quark. Of all the leptons and quarks, it is the last particle, the only one not actually detected, physicists are convinced that it exists, but they would like to discover or create a particle that actually contains it.

The trouble is that they suspect the top — quark to be at least 45,000 times as massive as an electron, and that amount of mass requires the maximum amount of energy that the world's largest atom - smashers can produce.
It can be done. Certain particles, called W — particles, are not actually constituents of matter but are needed to make other particles interact in certain ways. These W — particles are roughly as massive as the top — quark. They were detected in 1983 by Carlo Rubbia, who was awarded the Nobel prize.

Both Fermilab and the CERN atom - smasher in Geneva, Switzerland, searched for the W — particles,and CERN that won that race. Fermilab is anxious to win the next race - - beginning in June, 1991, they will be ready to smash particles at higher levels of energy than they had disposed of hitherto. They hope to discover particles containing top — quarks among the debris.

If they can't detect it, physicists will get nervous about the entire structure they have so painstakingly built up.
But is the top — particle really the last one? Actually, probably not. Associated with the W — particles mentioned above is the "Higgs particle" about which very little is known. It has not been detected so far. And, of course, there may be other particles that physicists, so far, only speculate about.
​(c) 1990, Los Angeles Times Syndicate