Physics Story
물리스토리
1988
난이도 : 초급
누가 그것 주문했나?
(1988년 노벨 물리학상, 리온 M. 레더만 이야기)
관련연도: 1988년
필자 : 김제완 교수

1960년대의 컬럼비아대학의 물리학과는 전성기였다. 티디리(T.D. Lee, 1957년도 노벨상)를 중심으로 물리학과의 소립자 물리그룹이 그 막강한 모습을 드러내고 있었다. 젊은 조교수였던 멜 슈발쯔(Mel Schwaltz)는 선배인 리온 레더만(Leon Lederman)과 잭 스타인버거 (Jack Steinberger)와 함께 고 에너지 중성미자선(neutrino beam)을 개발하기로 마음 먹었다. 중성미자라는 소립자는 질량도 없고(실제로는 질량이 있지만 너무 작아서 없다고 해도 과언이 아니다) 전기도 띄지 않아서 보이지도 않는 유령같은 입자이다. 원자핵은 양성자와 중성자로서 이루어져 있다. 중성자는 영어로 뉴트론(neutron)이라고 하는데 재치 있기로 유명한 페르미(Enrico Fermi)가 이탈리아어로 작다는 것을 표시하는 no를 붙여서 작은 중성자를 상징하는 neutri-no 뉴트리노라고 이름 지었다.

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1960년대의 컬럼비아대학의 물리학과는 전성기였다.(과학스토리; 브로드웨이의 기적 참조) 티디리(T.D. Lee, 1957년도 노벨상)를 중심으로 물리학과의 소립자 물리그룹이 그 막강한 모습을 드러내고 있었다. 젊은 조교수였던 멜 슈발쯔(Mel Schwaltz)는 선배인 리온 레더만(Leon Lederman)과 잭 스타인버거 (Jack Steinberger)와 함께 고 에너지 중성미자선(neutrino beam, 과학스토리: 중성미자 이야기 참조)을 개발하기로 마음 먹었다. 중성미자라는 소립자(물질의 기본입자)는 질량도 없고(실제로는 질량이 있지만 너무 작아서 없다고 해도 과언이 아니다) 전기도 띄지 않아서 보이지도 않는 유령같은 입자이다. 원자핵은 양성자와 중성자로서 이루어져 있다. 중성자는 영어로 뉴트론(neutron)이라고 하는데 재치 있기로 유명한 페르미(Enrico Fermi)가 이탈리아어로 작다는 것을 표시하는 no를 붙여서 작은 중성자를 상징하는 neutri-no 뉴트리노라고 이름 지었다.


그림1) 베타선

중성미자는 발견되기 전에 이론적으로 예측된 특이한 소립자이다.(소립자는 더 이상 다른 입자로 구성되어 있지 않는 기본입자를 말한다. 원자는 소립자가 아니다. 왜냐하면 원자는 원자핵과 전자로 구성된 복합입자이기 때문이다)

파울리(Wolfgang Pauli)라는 물리학자가 있었다. 그는 20세기를 살아간 가장 위대한 물리학자중의 한 사람 이었다. 방사성 동위원소가 붕괴할 때 전자가 나오는 것이 알려져 있었고 이를 베타붕괴라고 한다. 그림에서 보듯이 탄소14가 질소 14로 붕괴하면서 나올 때 전자의 에너지값이 연속적인 곡선을 이루고 있었다. 그 당시로서는 이해가 되지 않았다. 중성미자라는 소립자의 존재를 몰랐기 때문에 방사선에서 나오는 전자의 에너지는 탄소14와 질소 14의 질량차이에 해당하는 1.3Mev를 가져야 하는데 그림에서 보다시피 거의 모든 전자들이 이 보다 작은 에너지를 가지고 있었다.
이런 난처한 문제를 풀기 위해 1930년 12월에 양자론의 거두 닐스 보아를 비롯한 많은 학자들이 튀빙겐 대학에 모였다. 닐스 보아는 원자핵같이 작은 세상에서는 에너지가 보존되지 않을 수도 있다는 의견조차 제시했다.


그림) 파울리의 편지

이렇게 권위자들이 모여서 지혜를 짜내려고 고민하고 있을 때 당시 30세밖에 되지 않았던 파울리는 어떤 무도회에 참석하여 사교춤을 즐기고 있었다. 그는 벌써 이 문제에 대한 해답을 얻었다고 생각하고 있었기에 여유 있는 춤을 즐기고 있었던 것이었다. 그는 자기의 선배 학자들에게 보내는, <친애하는 동위원소 권위자 여러분…>으로 시작하는 편지에서 다음과 같이 자기의 생각을 털어놓았다.

파울리 교수의 생각은 이러했다.

눈에도 안보이고 전기나 자장의 영향도 받지 않으며 무게도 없는 유령 같은 작은 입자가 동시에 방출된다고 생각했다. 이 입자는 전기도 지니지 않고 무게조차 없지만 에너지를 지닐 수 있는 능력이 있기에 에너지는 없어진 것이 아니라 유령 같은 이 소립자가 가지고 달아난 것이라고 예언했다. 이렇게 중성미자는 발견되기 전에 예측된 소립자인 것이다.

중성미자는 아주 미미한 존재다. 백억 개의 중성미자가 우리 몸을 뚫고 지나가도 우리는 아무런 느낌을 받지 못한다. 이는 몇 개의 빛의 알갱이인 광양자가 눈에 들어와도 우리는 곧 빛임을 알 수 있는 것과 비교할 때 중성미자야 말로 유령 같은 소립자라 할 수 있다. 그러나 이 중성미자는, 태양이 저렇게 밝은 빛을 내는 원동력인 수소핵융합 반응에서 에너지를 갖고 나옴으로써 계속적인 융합 반응이 일어나도록 하는 결정적인 역할을 한다. 지금 이 순간에도 우리의 손을 펴면 우리의 손바닥에는 매초당 백억 개의 중성미자가 태양으로부터 날아오고 있지만 우리들이 이를 못 느낄 따름이다. 레온 레더먼 Leon Lederman은 다음과 같이 중성미자를 표현하고 있다. <우리들이 모든 수단을 동원해도 관측할 수 없으면 이는 존재하는 것이 아니다. 그런데 중성미자는 겨우 존재하는 실체인 것이다.>

두 종류의 중성미자

노벨상 수상위원회는 1988년도 노벨상 수상자 슈발츠, 레더만 및 스타인버거의 업적을 두 가지로 요약했다.

그들은 1. 처음으로 고에너지 중성미자선(Neutrino Beam)을 건설했고 이를 이용하여 전자와 쌍을 이루는 전자중성미자(electron neutrino)와 뮤온(muon)이란 소립자와 쌍을 이루는 뮤온 중성미자는 다른 종류임을 입증하여 입자물리의 기본인 “표준모형(Standard model)의 초석을 제시한 두 가지 업적을 지적했다.

보통 가속기에서의 빔(Beam)은 전기를 띈 양성자, 전자 또는 이온을 가속시켜서 만든다. 중성미자는 전기가 없으므로 가속시킬 수도 없고 만들기 힘들다. 멜 슈발쯔가 처음 제안한 뉴트리노 빔은 파이 중간자가 붕괴하면서 뮤온 중간자와 함께 중성미자를 이용하는 방안이었다. (중간자는 그 질량이 전자와 양성자 사이에 있다고 해서 붙혀진 이름으로 상세한 설명이 뒤따른다)


그림2) 중성미자 실험

그들이 이 어려운 중성미자 빔을 건설하려는 동기는 라듐 같은 동위원소에서 전자와 함께 나오는 중성미자와 파이 중간자가 붕괴하면서 나오는 방사선에서 나오는 중성미자가 같은 종류인지 다른 종류인지를 실험적으로 알아보자는 뜻이었다.

그들은 브룩헤븐(미국 뉴욕 주 브룩헤븐에 있는 가속기 연구소)의 양성자 가속기를 이용하기로 했다. 양성자 빔이 표적인 베리륨을 때리면 구름처럼 많은 파이 중간자가 생성된다, (일본의 유가와 히데키가 예언한 핵력을 만들어 내는 입자로서 전자의 약 150배의 질량을 가진 입자임: 과학스토리에서 파이중간자 이야기 참조) 이 파이 중간자는 뮤온(뮤중간자 라고도 함)과 중성미자로 붕괴한다.(그림2 참조)


그림3) Ne에서π+가 생겨서 다시 μ+로 변하는 사진

이들을 그림에서 보듯이 철벽을 통과하게 하면 전기를 띄지 않는 중성미자만이 살아 남고 나머지 다 흡수됨으로써 순수한 중성미자 빔(선)이 만들어 진다.

순수한 중성미자선을 얻으면 이 중성미자들이 베리륨 표적을 때리면 온갖 입자들이 생긴다. 만약에 뮤온과 함께 생성된 중성미자 v가 베타선에서 나오는 v와 같은 종류라면,

v+p→e+n…………1)
v+p→μ+n…………2)

인 반응이 모두 일어나야 되고 e+는μ+보다 훨씬 가벼우므로 반응 1)이 반응 2)보다 더 많이 일어나야 한다. 그러나 실험결과는 전연 그렇지 않았고 반응 2)만 일어났지 반응 1)은 전혀 일어나지 않았다. 이를 설명하려면 뮤온과 함께 생성된 중성미자와 베타선에서 나오는 중성미자는 본질적으로 다르다고 할 수 밖에 없다. 베타선에서 나오는 중성미자는 전자와 쌍을 이루는 중성미자이고 뮤온과 함께 나오는 중성미자는 뮤온과 쌍을 이룬다. 베타선에서 나오는 중성미자는 전자 중성미자인 ve이고 뮤온과 함께 나오는 중성미자는 vμ이다. 이들은 서로가 다르다. 유명한 라비교수의 말이 생각난다. 일본의 유가와히데키(Yukawa Hideki)교수가 1940년대 초반에 양성자와 중성자 등 핵 속에 있는 입자들을 묶어서 작은 원자핵 속에서 빠져 나오지 못하게 하려면 강한 핵력이 필요하다고 주장했다. 이 핵력은 양성자와 양성자가 서로 밀어내는 전기 적인 힘보다는 훨씬 강해야 한다. 그렇게 하려면 전자의 약 300배정도 질량이 무거운 파이 중간자 (π meson)가 있어야 된다는 이론을 발표했다. 많은 물리학자들이 파이 중간자를 찾아 나섰다. 그 당시는 파이 중간자를 “만들어 낼 수 있는 강한 가속기가 없었으므로 우주에서 가속되어 내려오는 우주선(Cosmic ray)(과학이야기: 우주선물리 참조)에 매달렸다.

과학자들은 곧 전자의 질량의 약 200배 되는 새로운 입자를 발견했다.

그러나 이 입자는 핵력을 지니지 않았으므로 파이 중간자가 아니었다. 새로 발견된 이 입자를 “뮤온(muon)”이라고 이름 지었다. 뮤온은 모든 성질이 전자와 꼭 같다. 다만 질량이 전자의 200배가 되는 것 이외는 말 그대로 전자의 복제였다. 전자는 원자를 만드는데 꼭 필요하다. 원자가 없으면 물질은 있을 수 없다. 그러나 새로 발견된 뮤온은 원자를 이루는 데는 아무 역할을 할 수 없을 뿐만이 아니라 자연계에서는 볼 수도 없고 쓸모도 없는 소립자였다. 라비교수는 이런 정황을 단적으로 “ 누가 그것(쓸데없는) 주문했나?”라는 질문으로 대신했다.


제 2세대 중성미자인 vμ가 발견됨으로써 가 2세대를 이루고 있다는 것이 확정되고 곧 뒤에 발견된
를 합혀여 핵력의 양향을 받지 않는 경입자 또는 렙톤(Lepton)은 3세대로 이루어져 있음이 밝혀진다. 핵력에 참여하고 양성자 등 핵 입자를 만드는 기본입자인 쿼크(과학스토리: 쿼크 이야기 참조) 역시 3세대로 되어있는 것이 곧 밝혀진다. 1988년 노벨 물리학상은 이런 관점에서 볼 때 현대 물리학의 기본틀을 만드는데 큰 기여를 한 발견이라 할 수 있다.


그림3) 표준 모형

* 파울리: 오스트리아 태생의 물리학자(1900~1958). 원자 내 전자배열을 정하였음. 다수의 전자를 포함하는 계에서 2개 이상의 전자가 같은 양자상태를 취하는 일은 있을 수 없다고 하는 <파울리의 베타 원리>를 발견함. 1954년 노벨 물리학상을 받음.

* 에너지 보존 법칙: 에너지가 어떤 일을 함으로써 변환하는 경우, 외부로부터의 영향을 완전히 차단하면, 물리적•화학적 변화가 일어나도 전체의 에너지 양은 항상 일정하며, 무에서 에너지를 창조할 수 없다는 물리학의 근본 원리. 1840년 헬름홀츠 H.L.F Helmholtz• 줄 J.P Joule• 마이어 J.R Mayer등에 의해서 확립됨.

* 중간자: 일본인 물리학자 유가와 히데키(Yukawa Hideki 1907~1961)에 의하여 처음 도입됨. 질량이 양성자와 전자 사이 즉 중간에 있다는 뜻으로 중간자 (mesotron)라고 이름 지었으며 유가와가 도입한 중간자는 π중간자이며 원자핵 속에서 양성자, 중성자 등을 묶어 놓는 핵력을 만들어 내는 입자임.

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