더 나눌 수 있는 원자 - 양파와 같은 원자의 세계
원자, 원자핵 그리고 기본입자의 발견은 언제나 노벨상과 연결되어 왔다. 원자를 궁극적인 물질 구성의 기본 단위로 보아왔던 생각은 원자에는 전자와 원자핵이 있다는 것, 즉 구조를 가지고 있다는 생각으로 곧 발전하였다. J. J. 톰슨은 진공 방전관 속의 음극선이 전자의 흐름이라는 것, 그리고 이들 전자의 질량과 전하량의 비를 정확하게 측정하였다. 전자가 발견되었다. 그리고 곧 이어 어네스트 러더포드에 의해서 원자핵이 발견되어 원자는 더 이상 나눌 수 없는 물질의 최소 단위가 아니라는 사실을 입증하였다. 원자핵은 플러스(+)의 전기를 띠고 중심에 있으며 원자 질량의 대부분을 가지고 있다. 그 주위를 마이너스(－) 전기를 띤 전자가 마치 지구가 태양 주위를 회전하는 것처럼 회전하고 있다는 소위 태양계 모형으로 정착되었다. 이 이론을 완성한 것은 덴마크의 닐스 보어였다. 원자가 더 이상의 미세구조를 갖지 않는 최소 단위라고 믿고 있던 당시의 화학자들은 여기에 많은 이의를 제기하였고 격렬한 논쟁이 도처에서 벌어졌다. 이 세사람, 즉 톰슨, 러더포드, 보어는 각각 1906년, 1908년, 1922년에 노벨 물리학상, 화학상, 그리고 물리학상을 수상한다. 물질을 구성하는 기본 입자들에 대한 노벨상의 시상이 시작되었다.
그러나 원자의 세계에서의 발견은 마치 껍질만으로 만들어진 양파의 껍질을 하나씩 벗겨나가는 것과 같았다. 언제나 껍질이 예언되고 발견되고 할 뿐 알맹이를 찾는 우리의 노력은 20세기 동안 헛수고가 아니었는가 싶다. 그러나 껍질을 벗기지 않으면 알맹이를 볼 수 없기 때문에 세계 도처에서 알맹이를 찾는 연구가 천문학적인 비용을 투자하며 이루어지고 있다. 정말 알맹이는 있는 것인가?
중성자, 양전자 그리고 중간자의 발견-원자의 기본 구조의 확립
러더포드는 그의 신통력에 가까운 통찰력으로 원자핵 속에는 양성자 뿐만 아니라
양성자와 거의 동일한 질량을 가진 중성의 입자도 함께 존재할 것이라고 오랫동안 예상
하고 있었다. 이것은 그의 제자 제임스 채드윅(J. Chadwick)에 의해서 1932년에 발견되었다. 그리고 1930년대 들어서면서 양자역학이 본궤도에 오르자 여기에서부터 많은 새로운 입자의 존재 가능성이 예측되기 시작했다. 모리스 디락은 양자역학과 상대성 이론을 결합시켜 슈뢰딩거 방정식을 풀고 거기에서 양전기를 띤 전자가 존재할 것이란 결론을 냈다. 이 양전자(陽電子)는 1932년 아직은 과학 후진국이던 미국의 캘리포니아 공과대학의 파이크산 정상에 설치한 우주선(Cosmic Ray) 연구소에서 포착되었다. 파이크산 정상에서 25살의 어린 나이로 이제 갓 박사학위를 받은 칼 앤더슨(C. Anderson)이 강력한 자기장이 걸린 안개상자로 우주에서 쉴새 없이 날아오는 우주선 입자의 사진을 찍고 있었다. 안개상자에는 자기장이 걸려 있기 때문에 입자가 띠고 있는 전하에 따라 오른쪽으로 또는 왼쪽으로 구부러진다. 그 사진 속에서 분명히 양전기를 띤 것으로 보이는 입자의 자국 사진을 몇 장 얻었다. 그리고 이 입자의 질량을 측정해 본 결과 전자의 질량과 동일했다. 그러나 앤더슨은 디락의 이론을 모르고 있었으므로 단순히 신기하다는 생각에서 짤막한 논문을 썼을 뿐이다. 이것이 디락이 예언한 양전자였던 것은 모른 채. 앤더슨은 1905년 뉴욕에서 스웨덴계 부모에게서 태어났다. 어려서부터 수재로 알려져 당시 수재들만 입학한다는 캘리포니아 공과대학에 입학했다. 여기를 졸업하자 당시 공과대학의 학장이었으며 전자의 전하를 최초로 정밀 측정하여 1923년에 노벨 물리학상을 수상한 로버트 밀리칸(R. Millikan) 밑에서 우주선 공부를 시작했다. 박사학위를 받고 바로 파이크산에서 우주선 관측을 시작했다. 양전자의 발견으로 1936년 우주선의 발견자인 빅터 헤스와 함께 노벨 물리학상을 수상했다. 앤더슨의 공로는 이것으로 끝나지 않았다. 1938년에는 같은 실험 장치를 써서 전자와 양성자 질량의 중간정도의 질량을 가진, 그들이 '메소트론(mesotron)'이라고 부른 중간자를 발견한 것이다. 이것은 1935년 일본의 유가와 히데끼(湯川 秀樹)가 예언한 입자였을 것이라고 많은 사람들이 생각했으나 나중에 그렇지 않다는 것이 확인된다. 그리고 1939년부터 정년 퇴직할 때까지 캘리포니아 공과대학 교수를 역임했고 2차 대전 중에는 원자폭탄을 개발하는 맨하튼 계획 (Manhatton Project)에서 일하기도 했다.
양성자와 중성자를 핵 속에 묶어두는 힘-중간자의 역할
유가와 히데끼는 1907년 일본에서 태어났다. 그의 아버지는 지리학 교수인 오가와 다구찌였는데 25살에 결혼하여 그의 처가에 양자로 입적함으로써 유가와(湯川)라는 성을 갖게 되었다. 그는 일본 교토(京都)대학에서 물리학을 공부했다. 교육을 일본에서만 받았고 1935년에는 획기적인 논문을 하나 쓴다. 이 논문은 불완전한 것이었지만 하나의 놀라운 아이디어가 들어 있었다. 핵력에 관한 것이다. 양성자와 중성자를 핵속에 가두어 두는 힘이 무엇일까를 생각한 것이다. 그는 불확정성 원리와 상대성 이론의 간단한 응용으로 핵력을 매개하는 입자가 있음을 밝힌 것이다. 마치 농구공을 서로 주고 받는 두 선수는 주고 받는 농구공 때문에 서로 떨어질 수 없다. 농구공이 이 두 선수를 붙잡아 두고 있는 것처럼 중성자와 양성자 사이를 왔다 갔다하며 두 입자를 핵 속에 붙잡아 두는 입자가 있고 이것의 질량은 전자의 200배 정도가 되며 양전기를 띤 것, 음전기를 띤 것, 그리고 전기를 전혀 띠지 않는 것 등의 중간자가 존재할 것이란 결론을 얻었다. 그리고 중간자는 핵과 강한 상호작용을 해야 한다고 생각했다. 이것은 주목을 끄는 논문이었지만 당시의 물리학자들에게는 이런 입자가 존재한다는 아무런 증거도 없었으므로 하나의 재미있는 생각으로만 받아 들여졌다. 그러나 1938년 칼 앤더슨이 우주선 속에서 중간자의 사진을 얻고 나서부터는 사정이 달라졌다. 그러나 얼마 안되어 세계는 2차대전의 소용돌이 속으로 빠져 들어가게 됨으로서 잠잠해졌다. 전쟁 중에 이탈리아의 물리학자들이 유가와가 예언한 중간자와 앤더슨이 우주선 속에서 발견한 중간자는 동일한 것이 아님을 알게 되었다. 이들 일단의 이탈리아 물리학자들은 지하에서 히틀러와 무솔리니의 파시스트정권에 저항운동을 하면서 이 연구를 함께 수행했던 것으로 유명하다. 그리고 전쟁이 끝나자 1949년 유가와 히데끼에게 중간자 예언에 대한 공으로 노벨 물리학상이 주어졌다.
유가와의 입자와 앤더슨의 입자가 다르다면 그러면 또 다른 입자가 있다는 것일까? 그것이 무엇일까? 이 의문에 답한 또 하나의 스타가 1946년에 영국 브리스톨(Bristol)대학에 등장한다. 세실 파웰(C. Powell) 교수였다. 그는 1903년에 태어나서 24살 때 캠브리지대학에서 박사학위를 받았다. 그리고 캐번디쉬 연구소의 러더포드와 C. T. R. 윌슨 밑에서 연구를 수행했다. 그의 전공은 기체 방전이었다. 그리고 브리스톨대학 교수로 부임했다. 그는 여기서 기체 방전과는 전혀 다른 분야에서 두각을 나타냈다. 그는 소위 원자핵 건판(原子核 乾板; nuclear emulsion)이라는 새로운 기술을 가지고 하전 입자의 자국을 보는 기술을 개발한 것이다. 사진 건판은 유리판 위에 취화은(臭化銀, silver bromide)과 젤라틴을 섞은 소위 에멀젼(emulsion)을 바르고 빛에 노출시키면 환원된다. 이것을 현상액으로 현상하면 빛이 쪼인 부분은 희게, 쪼이지 않은 부분은 검게 변한다. 빛 대신에 전자, 알파입자, 양성자, 중간자와 같이 전기를 띠고 있는 입자를 쪼여도 같은 환원이 일어나고 현상해서 현미경으로 들여다 보면 안개상자와 같이 입자가 지나간 흔적을 눈으로 볼 수 있다.
파웰은 1946년 이 원자핵 건판을 프랑스의 남부에 있는 고도 3,000미터의 피크 디 미디(Pic du Midi) 산의 정상에 가지고 가서 우주선에 노출시켰다. 이것을 영국으로 가져와 현상을 해서 현미경으로 들여다보자, 거기에는 완전히 다른 세계가 있었다. 양성자가 지나간 자국이 마치 막대기처럼 까맣게 늘어서 있었고 그리고 이 양성자의 에너지를 측정해 본 결과 당시에 있었던 어떤 가속기가 만들어 내는 에너지보다도 더 큰 에너지를 가지고 있다는 것을 알게 되었다. 그리고 놀라운 것은 진하기가 다른 까만 색깔의 자국이 방향을 바꾸면서 연 이어 늘어서 있었다. 그리고 진하기가 달라질 때마다 이 입자들은 진행 방향을 바꾸고 있었다. 진하기가 다르다는 것은 전리도가 다르다는 것을 의미하며 이것은 한 입자가 질량이 틀린 다른 입자로 바뀌었다는 것을 의미한다. 즉 어떤 입자가 수명이 다하여 질량이 틀린 다른 입자로 바뀌어 간 것을 의미한다. 이것은 지금까지 어디에서도 보지 못했던 완전히 새로운 세계였다. 전자 질량의 240배 정도가 되는 파이온(π)이라는 입자가 수명이 다하여 질량이 207배 정도인 뮤온(μ)이라는 입자로 바뀌고 이 뮤온도 다시 수명이 다하여 전자와 중성미자로 바뀌는 그런 사진을 얻었던 것이다. 파이온이 바로 유가와가 예언한 입자였고 뮤온이 앤더슨이 발견한 입자였던 것이다. 중성미자는 전기를 띠지 않고 있으므로 자국을 남기지 않는다. 그러나 운동량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙을 둘다 만족시키려면 이 입자가 존재해야 한다. 이 공으로 파웰은 1950년 노벨 물리학상을 수상한다. 이 새로운 원자핵 건판 기술은 세계 도처에서 방대한 규모의 연구를 새로이 일으켰고 더 높은 에너지를 얻는 인공가속기의 개발에도 불을 붙이게 된다.
맥주잔에서 올라오는 거품-거품 상자(bubble chamber)의 발견
안개상자 속은 공기나 또는 질소와 같은 기체가 들어 있기 때문에 밀도가 낮아 에너지가 큰 입자는 거의 아무런 반응도 일으키지 않은 채로 통과해 버린다. 가령 1954년에 완성된 캘리포니아대학 버클리(Berkeley) 캠퍼스의 로렌스 방사연구소의 비버트론(bevatron)에서 나오는 6 GeV (6⁓109 eV)의 양성자 자국을 완전히 찍자면 100 m 길이의 안개상자가 필요하다! 그리고 안개상자는 다시 동작시키려면 1분 이상의 시간이 필요하다. 언제 올지 모르는 우주선 입자라면 문제가 없지만 2초에 한번씩 입자들을 쏟아내는 비버트론의 경우라면 새로운 입자를 검출하는 효율이 아주 나빠지는 셈이 된다. 그러나 기체가 아닌 액체 속을 입자가 지나가게 하면 밀도가 크기 때문에 훨씬 작은 것으로도 입자를 검출할 수 있다.
이 요구에 대한 대답은 비버트론을 만든 버클리에서 나온 것이 아니고 엉뚱한 곳인 미시건대학의 젊은 물리학자, 도날드 글레이저(D. Glaser)에게서 나왔다. 그는 1940년대 말 캘리포니아 공과대학에서 양전자와 중간자를 발견한 칼 앤더슨으로부터 지도를 받아 박사학위를 마치고 미시건대학에 조교수로 와 있었다. 마침 새로운 입자들이 발견되고 있었고 또 거대한 에너지를 갖는 가속기가 출현하고 있었다. 그는 입자를 검출하는, 특히 기체가 아니고 액체 속을 지나는 입자의 자국을 눈으로 보는 방법을 생각하고 있었다.
연구와 교육에 골몰하던 어느날 머리를 식히려고 동료들과 함께 맥주를 마시고 있었다. 거품이 올라오는 맥주잔을 골똘히 들여다보고 있던 그는 잔 위로 올라오는 맥주 거품을 보고 무릎을 쳤다. 액체는 온도가 올라가면 끓기 시작한다. 또한 반대로 압력을 내려주어도 끓는다. 액체가 끓으면 거품이 올라온다. 갑자기 압력을 내려 주어도 액체는 그대로 있지만 액체의 비등점은 올라간다. 이 상태를 "과열(superheated)" 상태라고 부르고 이때 방사성 입자와 같은 입자가 이 속을 지나가면 부분적으로 에너지가 주어짐으로 입자가 지나간 자국을 따라 액체는 끓게 되고 그 지나간 자국을 안개상자처럼 눈으로 볼 수 있게 된다. 이 아이디어를 실험해 보기 위해서 미국 원자력위원회와 과학재단에 연구비를 신청했지만 모두 거절당했다. 너무 추측만 하고 있다라는 이유였다. 그 뿐만 아니라 학회지로부터는 논문의 접수조차 거절당했다. "Bubblet"라는 단어가 사전에 없다는 것이 그 이유였다. 그러나 크기가 3 cm짜리 거품상자는 한번 만들어 볼 수 있었고 자국을 선명하게 관찰할 수 있었다.
1953년 4월 글레이저는 이 결과를 미국 물리학회 총회의 논문 발표장에서 발표했지만 여기서도 역시 아무도 귀담아 들어 주는 사람이 없었다. 그러나 요행히도 비버트론을 제작한 루이 알바레즈(L. Alvarez)의 눈에 띄었다. 알바레즈는 이런 종류의 입자 검출장치가 있었으면 하고 바라고 있었으므로 두사람은 곧 의견 일치가 되어 버클리 캠퍼스에서 대규모의 거품상자 제작이 이루어졌다. 이 공으로 글레이저는 1960년 노벨 물리학상을 수상했다. 그리고 알바레즈도 거품상자의 개량과 그것을 사용한 여러가지 실험으로 얻은 입자 물리학에 대한 공으로 1968년 노벨물리학상을 수상한다.
쏟아지는 새 입자들-새로운 질서의 시작
입자 가속기와 거품 상자와 원자핵 건판 등의 입자 검출 기술의 획기적인 발전은 � 痢�에게 수많은 새로운 입자를 선사했다. 이 입자들이 죽고 사는데에는 일정한 규칙들이 있다. 어떤 것에 대해서는 오랫동안 규칙을 몰라 헤매이기도 했고 어떤 것은 있을 것이란 이론적인 예측이 있었지만 실제로 이것이 발견되지 않는 것도 있다. 1946년 10월 맨체스터대학에서 로체스터(G. D. Rochester)와 버틀러(C. C. Butler)는 우주선에 노출시킨 안개상자의 자국 사진 중에서 V자 모양을 하고 있는 자국 사진 하나를 얻었다. 이 자국 입자의 질량을 측정해 본 결과 전자 질량의 약 일천배 정도였다. 이 입자는 비행 중에 두개의 파이온(π)으로 붕괴되고 있었다. 처음에는 V입자라고 이름 붙였지만 지금은 중성 케이온(Ko)입자라고 부른다. 얼마 후 파웰의 브리스톨 그룹은 이번에는 전하를 가지고 있는 프러스 케이온(K＋) 또는 마이너스 케이온(K)을 발견했다. 이들은 세개의 파이온(π)으로 붕괴하며 양 또는 음전하를 띠고 있다. 1951년에는 맨체스터 그룹의 안개상자에서 람다(Λ) 입자가 발견되었다. 이 입자는 전기적으로 중성이었으며 이 입자가 붕괴할 때 한개의 양성자와 음전기를 띤 파이온(π)이 나온다. 이 붕괴 모양이 람다의 글자를 뒤집어 놓은 것과 같은 모양이었다. 그리고 이 람다입자는 중성자나 양성자의 질량보다 커서 전자 질량의 2250배나 되었다. 그래서 하이페론(hyperon, 무거운 입자)이라고 불렀다. 람다입자는 첫번째로 발견된 하이페론이었다. 이렇게 해서 1950년대에 들어서면서 물리학자들은 예상보다는 훨씬 오래 사는 이상한 입자 두개를 알게 되었다. 그리고 곧 이어 1952년에는 맨체스터 그룹이 프랑스의 피크 디 미디 정상에 설치해 둔 안개상자에서 음전하를 띠고 있는 마이너스 크사이(Ξ)입자와 시그마(Σ)입자를 발견하였다. 음전하를 갖고 있는 크사이 입자는 음전하의 파이온과 중성인 람다입자로 붕괴했다. 그리고 람다는 위에서와 같이 다시 양성자와 음전하의 파이온으로 붕괴한다. 전하를 전혀 띠고 있지 않은 크사이 입자도 발견되었다. 이들의 질량은 전자 질량의 2580배 가량으로 하이페론 중에서는 가장 무겁다. 시그마 입자는 양전하, 음전하 그리고 전혀 전하를 띠고 있지 않은 입자 등 세가지가 발견되었고 이들은 주로 양성자와 중성 파이온, 또는 중성자와 플러스 파이온, 또는 중성자와 마이너스 파이온 으로 붕괴되며 질량은 전자 질량의 2330배 가량이다.
그리고 입자가속기의 에너지가 점차로 높아져서 이들 입자들을 실험실 안에서 만들 수 있게 되었다. 이제는 더 이상 높은 산이나 기구를 이용해서 고공으로 실험기기들을 날려 올릴 필요가 없어졌다.
태어나는 법과 죽는법이 다른 이상한 입자들
(strangeness particles)
람다입자는 물리학자들에게 심각한 문제점을 안겨 주었다. 매우 쉽게 만들어지고 매우 천천히 붕괴한다는 것이다. 이 사실은 쉽게 만들어지는 입자는 빨리 붕괴한다는 양자역학의 일반 법칙에 위배되는 것이다. 인간의 죽음의 원인은 선조로부터 받은 유전 인자와 살아있을 때와 밀접하게 관계가 있다. 그러나 이 입자의 죽음, 즉 붕괴는 선조로부터 받은 것, 그리고 어떻게 살았는지에 관계없이 일어난다. 이것을 설명하려는 몇가지 시도가 있었다. 그 중에서 가장 그럴듯한 것은 입자들이 만들어질 때와 죽을 때는 서로 관계가 없다라는 것이었다. 람다가 만들어질 때는 중성 카이온과 함께 만들어진다. 그러나 붕괴할 때는 양성자와 마이너스 파이온으로 변한다. 생성될 때는 유가와형의 강한 상호작용이고 붕괴할 때는 페르미형 상호작용을 한다. 이 이상한 현상을 설명하기 위해서 1954년에 질량, 스핀, 전하 등의 특성이 입자에게 주어지듯이 또 하나의 새로운 양자수를 머레이 겔-만(M. Gell-Mann)과 일본의 니시지마 가스히꼬(西島 和彦)가 독립적으로 제안했다. 적당한 단어가 없어서 "스트레인지네스(strangeness)"라는 용어가 만들어졌다. 이 양이 각운동량과 같은 역학적 양과 관계가 있는지는 잘 모르지만 위에서 얘기한 모순을 바로 잡을 수는 있었다. 즉 입자들에게 "스트레인지네스" 0, / 1, / 2와 같은 숫자를 매기고 강한 상호작용 때는 이 숫자가 보존되지만 약한 상호작용 때는 보존되지 않는다라고 가정하면 모든 문제가 풀리게 된다. 마치 모든 반응에서 전하, 스핀 그리고 에너지가 보존되듯이 이 값도 보존된다. 이 규칙에 위배되면 그 반응은 일어나지 않고 규칙에 따르면 그 반응은 일어난다. 즉
밑에 숫자는 그 입자의 "스트레인지네스" 값이다. 반응 전후에 보존되므로 이것은 강한 상호작용이고 출생률이 높다. 그러나 여기서 만들어진 시그마입자가 죽을 때에는
반응으로 죽는다. 여기서는 "스트레인지네스"가 보존되지 않는다. 그래서 이것은 약한 상호작용이 되고 장수가 보장된다. 크사이 입자의 경우는
로 "스트레인지네스"가 보존되지 않으므로 약한 상호작용에 해당한다.
반물질(反物質), 반세계(反世界) -반양성자(反陽性子)의 발견
우리 지구, 즉 우리의 온 우주는 물질로 구성되어 있다. 그리고 이 물질은 원자로, 그리고 원자는 핵과 그 주위를 도는 전자로 되어 있다. 이 핵 속에는 중성자와 양성자가 들어 있다. 1932년에 미국의 칼 앤더슨이 반전자(反電子), 즉 양전자를 발견했다. 이것은 물질속에 존재하는 전자와 질량은 동일하지만 양의 전하를 가지고 있다는 것만이 다르다. 이것은 1928년 폴 디락이 예언한 것이다. 이 디락의 예언은 반전자 뿐만 아니라 그대로 반양성자와 반중성자의 존재 가능성으로 연결된다. 그러나 양전자가 발견된 이래 20여년 동안 발견되지 않았었다. 여러 사람들이 우주선에 노출시킨 원자핵 건판 또는 가이거-뮬러 계수관 실험 장치에서 이것을 발견했다고 믿고 있었으나 확인은 되지 않았다. 1955년 미국 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스의 방사성 연구소에서 갓 완성된 비버트론에서 그 존재를 확인하였다. 이 일을 수행한 사람들은 에밀리오 세그레(E. Segr)와 오웬 쳄벌레인(O. Chamberlain)이었다. 거품상자에 강력한 자기장을 걸어 두면 양성자와 반양성자는 가지고 있는 전하가 반대이므로 구부러지는 방향이 반대가 될 것이므로 음전하를 띤 입자 중에서 운동량과 속도를 구하면 거기에서 질량을 구할 수 있다. 양성자와 질량이 동일하고 음전하를 띠고 있는 반양성자를 찾기 위한 대대적인 수색작전이 펼쳐졌던 것이다. 5백만개의 자국을 조사하여 그 중에서 100개의 반양성자를 찾아냈다. 이 두사람은 이 공으로 1959년도 노벨물리학상을 수상했다.
에밀리오 세그레는 1905년 이탈리아의 로마에서 태어났다. 박사학위를 마치고 엔리코 페르미 밑에서 중성자를 사용하는 핵변환 실험을 했다. 엔리코 페르미가 미국으로 망명한 뒤에 그도 따라 미국으로 망명하여 2차대전 중에는 맨하튼 계획에 참여하여 원자폭탄 제조에 일조를 했다. 대전 후에는 캘리포니아 버클리 캠퍼스의 방사성 연구소에서 교수로 가속기 개발과 입자 물리학에 종사하였다. 20세기 들어 현대물리학의 발전을 몸으로 느끼며 살아왔기 때문에 역사의 산 증인으로서 현대물리학의 발달사에 정통하여 여러 가지 현대물리학의 뒷 이야기를 쓴 책을 저술하기도 하였다.
반양성자의 발견은 반중성자 발견의 길을 열어 놓았다. 양성자와 반양성자는 질량이 동일하고 전하만이 서로 반대이므로 충돌하게 되면 전하가 중화되어 없어진다. 양성자는 중성자로, 반양성자는 반중성자로 바뀔 것이다. 이 전하를 교환하는 과정을 찾으면 반중성자를 찾을 수 있다. 드디어 1956년 버클리 그룹은 114개나 되는 반중성자의 사례들을 찾아내는 데 성공했다. 그리고 곧 이어 1958년에는 반양성자와 양성자의 정면 충돌 사진에서 람다 입자와 반람다 입자가 동시에 생성되는 자국 사진을 얻었다. 이 사진에서는 람다 입자와 반람다 입자가 다시 마이너스 파이온과 양성자로, 그리고 플러스 파이온과 반양성자로 붕괴되는 장면도 함께 얻게 되었다. 양성자와 중성자가 핵을 구성하고 그 주위에 음전하를 갖는 전자가 도는 원자는 지금 우리가 보는 세계를 구성하고 있다. 반양성자와 반중성자가 핵이 되고 그 주위를 양전자가 도는 반원자를 상상할 수 있게 된 것이다. 이 반원자로 된 우주도 어디엔가 있을 것이다. 이것은 당연한 우리의 논리적 귀결이다. 그러나 아직 어디에서도 반물질로 된 반세계를 발견하지 못하고 있다. 정물질의 우주 밖에 관측을 하지 못하고 있는 것이다. 이것은 이미 빅뱅(Big Bang)에 의해서 우주가 만들어지고 나서 얼마 후에 정물질(正物質)과 반물질(反物質)의 충돌이 이미 일어나 버린 것이 아닌가 추측하고 있다. 그 결과 현재 이 우주에는 많은 빛과 정 물질들만 남아 있게 되어있다는 해석을 하고 있다.
입자 가속기의 발달
-거대 과학의 시대로
원자의 구조를 이해하려면 그 속을 들여다보아야 한다. 그러나 원자를 구성하고 있는 전자나 양성자, 또는 중성자는 너무 작고 원자나 원자핵 속에 단단히 갇혀 있기 때문에 직접 들여다보거나 만질 수 없기 때문에 간접적인 방법을 사용하여야 한다. 원자를 깨뜨려 그 속에 있는 입자들이 밖으로 튀어나오도록 하는 것이다. 튀어나오는 입자를 안개상자나 거품상자, 또는 원자핵 건판을 통과하도록 해야 한다. 원자를 깨려면 전자나 양성자로 때려 주어야 한다. 이때 양성자나 전자의 에너지가 크면 클수록 원자나 핵이 쉽게 깨져 그 속을 더 자세히 볼 수 있다. 양성자나 전자를 속도가 큰 값으로 만들어 주는 장치를 가속기(accelerator)라고 한다. 최초의 가속기는 영국 캠브리지 대학의 캐번디쉬 연구소에서 1932년에 존 코크로프트(J. D. Cockroft)와 에른스트 월튼(E. T. Walton)에 의해서 만들어졌다. 전압 배증회로(電壓 倍增回路)로 770 kV를 만들고 두 전극 사이에 이 전압을 걸어준 후 그 사이를 수소에서 나오는 양성자를 달리게 해서 만든 것이다. 이렇게 가속한 양성자로 리튬(lithium)원소를 때려 두개의 알파입자로 깨지는 것을 관찰했다. 이 두 사람은 가속기의 최초 제작이 인정되어 1951년 노벨물리학상을 받았다.
에너지를 높이려면 전압을 높여 주어야 하는데 무한정 올리는 것은 위험하기도 하고 또 제작하기도 곤란하다. 어네스트 로렌스(E. O. Lawrence)는 사이클로트론(cyclotron)이라는 일정한 전압의 고주파 전류가 걸려 있는 "디(dee)"라는 원통 속을 입자로 하여금 자기장에 의해서 여러번 회전하도록 만들었다. 한번 회전할 때마다 에너지를 얻으니까 여러번 회전시키면 그만큼 에너지가 올라가는 원리다. 로렌스는 미국 노스다코다(North Dakota)주의 캐튼이라는 곳에서 노르웨이 이민의 후손으로 태어났다. 예일(Yale)대학에서 박사학위를 받고 1928년 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스에 조교수로 부임해 왔다. 우연히 스웨덴에서 나오는 기술 잡지를 보다가 얻은 이 아이디어로 사이클로트론을 만든 것이다. 처음에는 손바닥에 들어올릴 만큼 작은 것을 만들어 보다가 성공적으로 동작하는 것을 본 그는 좀더 큰 것을 만들어 보려고 노력하였다. 1930년대 초에는 이 사이클로트론을 사용하여 핵물리학을 연구하려고 했지만 캐번디쉬 연구소의 연구원들과 편지 교환을 통해서 자신은 핵물리학을 쫓아가지 못할 것이라는 것을 깨닫고 그 뒤로는 사이클로트론의 제작에만 열중했다. 로렌스는 자금과 기술이 필요했다. 그는 사이클로트론의 의료에의 응용 가능성을 내다보고 주로 의사들을 상대로 모금 운동을 전개했다. 그는 자신이 기술적인 일이나 물리학적 능력보다는 모금하고 관리하는데 더 큰 능력이 있음을 알고 주로 이 일에만 매달렸다. 기술적인 일들은 모두 협력자들에게 맡겼다. 유능한 물리학자들이 일의 재미로 많이 모여들었고 사이클로트론 제작은 크게 발전했다. 처음에는 27인치(69 cm)에서 시작하여 37인치(94 cm)로 커지고 2차대전이 한참일 때인 1944년에는 60인치(152 cm)로 커졌다. 2차대전 중에는 원자폭탄의 재료인 우라늄-235를 분리하는 일에 사이클로트론의 전자석을 사용하여 크게 성공하기도 했다. 1939년 사이클로트론을 최초로 만든 공으로 그에게 노벨물리학상이 주어졌다.
2차대전 후에는 국가의 지원이 커지고 따라서 가속기의 에너지도 높아졌다. 사이클로트론 안에서 에너지가 올라가면 회전하는 원 궤도의 반경도 속도가 커지기 때문에 따라서 커진다. 속도가 커지면 상대성 이론에 의해서 양성자의 질량도 커진다. 질량이 커지면 도는 속도가 달라져서 더 이상 사이클로트론으로는 가속시킬 수 없게 된다. 이것을 극복하기 위해서 일정한 고주파 전류 대신에 속도에 맞추어 가변으로 주파수를 변경시키는 소위 184인치(467 cm)의 싱크로사이클로트론(synchrocyclotron)이 출현하였고 그 첫 작품이 1946년에 완성되었다. 이 싱크로사이클로트론을 가지고 위에서 이야기한 파이온을 인공적인 방법으로 최초 생산할 수 있게 되었다. 이것이 로렌스가 이룩한 최후의 작품이었다. 그리고 그는 1958년에 57세를 일기로 죽었다. 싱크로사이클로트론의 원리가 되는 소위 "위상 안정" 가속 방식의 발명은 에드윈 맥밀런(E. McMillan)이 2차대전 중에 이루었다. 맥밀런은 1951년 초우란 원소의 제조에 기여한 공으로 노벨화학상을 수상했다. 현재 이 싱크로사이클로트론은 무거운 원소, 예컨데 우라늄 원소까지도 가속시키는데 사용되고 있다.
곧 이어 버클리에서 에너지가 6.4 GeV에 이르는 비버트론이라고 불리는 거대 가속기가 완성되고 이것을 사용하여 하이페론들이 만들어지기 시작하였다. 이 가속기는 그 전의 가속기처럼 한 개의 자석으로 이루어진 것이 아니고 양성자가 가속되는 원 궤도에 따라 자석이 여러개 놓인 것이다. 이 방식의 가속기는 세계 여러 나라에서 건설되고 있다. 스위스 제네바의 구라파 공동 원자핵 연구소(CERN)에 있는 33 GeV의 AGS (alternating gradient synchrocyclotron)이 유명하며 그 중 가장 큰 것은 미국 페르미 연구소에 있는 540 GeV의 가속기이다. 가속기의 에너지가 높아질수록 새로운 입자들의 일람표는 점점 길어져 갔다. 그리고 연구 하나에 동원되는 연구원 수도 수백명에 이르게 되었다. 그래서 창의적이기보다는 연구를 관리하는 능력이 노벨상을 수상하는 기준이 될 가능성이 생겼다고 해서 이 분야의 노벨상에 회의론이 일고 있다.
다음 이야기는 "기본입자들의 발견과 노벨상 II"
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박병소 교수는 스웨덴 Uppsala 대학교 물리학과 이학박사로서, 1969년부터 78년까지 서강대학교 전자계산소 소장, 1978년부터 1983년까지 서울시 전자계산기제어교통신호체계를 설계 운영하였으며, 1982년부터 84년까지 대한교통학회 부회장을 역임하고, 현재 대한교통학회 고문 겸 서강대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. (bspak@ccs.sogang.ac.kr) |