강입자(양성자 및 중성자)

강입자인 양성자와 중성자는 각각 세 개의 쿼크로 구성된 바리온이다. 양성자는 두 개의 위 쿼크와 한 개의 아래 쿼크(uud)로, 중성자는 두 개의 아래 쿼크와 한 개의 위 쿼크(udd)로 이루어져 있다. 이 기본 구성은 각 입자의 전하를 결정한다. 위 쿼크의 전하는 +2/3e, 아래 쿼크의 전하는 -1/3e이다. 따라서 양성자의 전하는 (2/3 + 2/3 - 1/3)e = +1e가 되고, 중성자의 전하는 (2/3 - 1/3 - 1/3)e = 0이 된다.

쿼크들은 글루온이라는 교환 입자를 매개로 한 강한 상호작용에 의해 결합되어 있다. 이 상호작용은 양자 색역학으로 기술된다. 각 쿼크는 '색전하'라는 또 다른 종류의 전하를 지니며, 세 개의 쿼크는 서로 다른 색(예: 빨강, 초록, 파랑)을 가져 전체적으로 '무색'이 되어야 한다는 규칙이 있다. 이는 색가둠 원리와 직접적으로 연결된다.

양성자와 중성자의 질량은 구성 쿼크들의 질량 합보다 훨씬 크다. 예를 들어, 위 쿼크와 아래 쿼크의 질량은 수 MeV/c² 수준이지만, 양성자의 질량은 약 938 MeV/c²이다. 이 차이는 쿼크들의 운동 에너지와 글루온장의 결합 에너지에서 비롯된다. 즉, 강입자의 질량 대부분은 쿼크를 결합시키는 강한 상호작용의 에너지에서 기인한다.

양성자와 중성자의 질량은 각각 약 938.272 MeV/c²와 939.565 MeV/c²이다[3]. 이는 전자 질량의 약 1836배와 1838배에 해당하는 값이다. 흥미롭게도, 구성 쿼크 세 개의 순수 질량 합은 양성자의 경우 약 9 MeV/c², 중성자의 경우 약 12 MeV/c²에 불과하다. 질량의 대부분은 쿼크의 운동 에너지와 글루온 장의 에너지, 즉 강한 상호작용에 의한 결합 에너지에서 기인한다. 이는 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리(E=mc²)를 명확히 보여주는 사례이다.

두 입자의 스핀은 모두 1/2이다. 이는 페르미온에 속하며, 파울리 배타 원리를 따른다는 의미이다. 초기에는 세 개의 쿼크 스핀이 단순히 합쳐져 핵자의 스핀을 이룬다고 생각했으나, 실험 결과는 이를 설명하지 못했다. 현재는 쿼크의 궤도 각운동량과 글루온의 기여가 핵자의 스핀 구조에 상당 부분 관여한다고 이해되고 있다. 이는 핵자의 내부 구조가 단순하지 않음을 보여주는 중요한 단서이다.

양성자는 +1의 기본 전하를 가지는 반면, 중성자는 전기적으로 중성이다. 양성자의 전하는 세 개의 쿼크 중 두 개의 위 쿼크가 각각 +2/3의 전하를, 하나의 아래 쿼크가 -1/3의 전하를 가짐으로써 총 +1이 된다. 중성자의 경우, 하나의 위 쿼크(+2/3)와 두 개의 아래 쿼크(각 -1/3)로 구성되어 순 전하가 0이 된다.

자기 모멘트는 입자가 작은 막대 자석처럼 행동하는 정도를 나타내는 물리량이다. 순수한 점입자로 가정할 경우, 양성자와 중성자의 자기 모멘트는 각각 1 핵 마그네톤과 0이 될 것으로 예측된다. 그러나 실제 측정값은 이와 다르다. 양성자의 자기 모멘트는 약 2.793 핵 마그네톤이며, 중성자는 약 -1.913 핵 마그네톤으로, 전하가 없음에도 불구하고 음의 값을 갖는 비자명한 자기 모멘트를 보인다.

이러한 편차는 강입자가 기본 입자가 아닌 복합 입자라는 사실에서 기인한다. 내부 구성 요소인 쿼크의 궤도 운동과 스핀, 그리고 쿼크 사이를 매개하는 글루온의 효과와 같은 양자 효과가 전체 자기 모멘트에 기여한다. 특히 중성자의 자기 모멘트는 내부의 하전된 쿼크 분포가 균일하지 않아 발생하는 것으로 해석된다. 자기 모멘트의 정밀 측정은 강입자의 내부 구조를 이해하는 중요한 실험적 단서가 된다.

색가둠은 쿼크와 글루온이 단독으로 존재하지 못하고 항상 강입자 내부에 갇혀 있는 현상을 설명하는 양자 색역학의 핵심 개념이다. 이 현상은 강한 상호작용의 근본적인 성질로, 양성자나 중성자 같은 강입자가 안정적으로 존재할 수 있는 이유를 제공한다.

색가둠은 쿼크가 지니는 색전하라는 특수한 양자수와 관련이 있다. 강한 상호작용은 이 색전하를 매개로 하며, 글루온이 그 힘을 전달한다. 색전하는 세 종류(빨강, 초록, 파랑)가 있으며, 이들이 혼합되어 총체적으로 '무색' 또는 '백색' 상태를 이루어야만 외부로 관측 가능한 안정한 입자를 형성한다[5]. 쿼크 사이를 연결하는 글루온의 장 에너지는 거리가 멀어질수록 증가하는 독특한 성질을 지니는데, 이로 인해 쿼크를 분리하려는 시도는 오히려 새로운 쿼크-반쿼크 쌍을 생성하게 되어 결코 단일 쿼크를 분리해낼 수 없다.

색가둠의 결과는 실험적으로 확고히 입증되었다. 예를 들어, 양성자를 충돌시켜도 개별 쿼크나 글루온이 튀어나오는 것이 아니라, 새로운 강입자의 제트가 생성되어 관측된다. 이 현상은 쿼크와 글루온이 자유 입자로 존재할 수 없음을 보여준다. 그러나 극한의 고온고밀 조건에서는 색가둠이 풀려 쿼크-글루온 플라스마라는 새로운 물질 상태가 형성될 수 있다고 예측되며, 이는 현대 가속기 실험의 주요 연구 대상 중 하나이다.

강한 상호작용에 의해 양성자와 중성자 사이에 작용하는 인력을 핵력 또는 핵자간력이라고 한다. 이 힘은 원자핵을 구성하는 구성 입자들을 결합시켜 핵을 안정적으로 유지하는 역할을 한다. 핵력은 전기적 척력보다 훨씬 강하지만, 그 작용 거리는 극히 짧아서 대략 1.4 × 10⁻¹⁵ m (1.4 펨토미터) 정도에 불과하다[6].

핵력의 주요 특성은 다음과 같다.

• 매력적 힘: 짧은 거리에서 매우 강한 인력을 발휘한다.

• 짧은 작용 거리: 수 펨토미터를 넘어서면 힘이 급격히 약해진다.

• 포화성: 하나의 핵자가 주변의 몇 개의 이웃 핵자와만 상호작용할 수 있다.

• 교환력 특성: 파이 중간자와 같은 교입자의 교환을 통해 매개된다고 설명된다.

• 전하 독립성: 양성자-양성자, 중성자-중성자, 양성자-중성자 사이의 핵력 크기는 거의 동일하다.

핵력의 세기와 거리 관계는 다음 표로 요약할 수 있다.

이러한 특성 때문에 원자핵은 매우 높은 밀도를 가지지만, 무한히 많은 핵자들이 모여 거대한 핵을 형성하지는 않는다. 핵력은 색가둠 현상의 결과로 나타나는 잔류 강한 상호작용으로 이해된다. 즉, 쿼크 사이의 근본적인 강한 상호작용의 일부 효과가 핵자 바깥으로 새어나와 핵자들 사이의 결합력을 생성하는 것이다.

산란 실험은 강입자의 구조와 성질을 탐구하는 핵심적인 실험 방법이다. 이 실험에서는 전자, 양성자 또는 다른 입자 빔을 표적(예: 수소 또는 중수소 표적)에 충돌시켜, 입자들이 어떻게 튕겨 나오는지(산란되는지)를 관측한다. 산란 각도와 에너지 손실 등의 데이터를 분석함으로써 표적 입자의 내부 전하 분포, 크기, 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다.

가장 유명한 초기 실험은 1909년 어니스트 러더퍼드가 수행한 알파 입자 산란 실험이다. 금박에 알파 입자를 쏘았을 때 대부분이 통과하지만 일부가 큰 각도로 튕겨 나오는 현상을 관측하여, 원자 내부에 작고 무거운 원자핵이 존재한다는 결론을 내렸다[8]. 이 원리는 이후 양성자와 중성자의 크기와 내부 쿼크 구조를 연구하는 데 확장 적용되었다.

1960년대 말부터 1970년대 초에 수행된 SLAC의 깊은 비탄성 산란 실험은 특히 중요하다. 고에너지 전자를 양성자에 충돌시켜, 전자가 양성자 내부의 작고 점 같은 구성 요소(쿼크)에 의해 큰 각도로 산란되는 것을 관측했다. 이 실험 결과는 양성자가 기본 입자가 아니라 내부 구조를 가짐을 직접 보여주었으며, 쿼크 모형을 강력히 지지하는 증거가 되었다.

가속기는 강입자의 내부 구조와 상호작용을 연구하는 핵심 도구이다. 하전된 입자를 극한의 에너지까지 가속하여 표적이나 다른 입자 빔과 충돌시키는 방식으로 작동한다. 초기 사이클로트론에서 발전하여 오늘날의 대형 충돌기에 이르기까지, 가속기 기술의 발전은 양성자와 중성자에 대한 이해를 혁신적으로 변화시켰다.

가속기 실험은 크게 고정 표적 실험과 충돌기 실험으로 나뉜다. 고정 표적 실험에서는 가속된 입자 빔을 정지된 표적에 충돌시켜 2차 입자를 생성하거나 산란 현상을 관측한다. 이 방법은 쿼크 모델을 지지하는 증거를 제공한 심층 비탄성 산란 실험[9]에 활용되었다. 충돌기 실험에서는 두 개의 입자 빔을 서로 반대 방향으로 가속시켜 정면 충돌시킨다. 이는 상대론적 에너지에서 더 높은 중심 질량 에너지를 얻을 수 있어, 양성자와 중성자의 기본 구성 요소인 쿼크와 글루온의 상호작용을 직접 탐구하는 데 필수적이다. 대표적인 시설로는 유럽 입자 물리 연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)와 미국 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL)의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)가 있다.

이러한 실험을 통해 양성자의 스핀이 구성 쿼크의 스핀 합만으로 설명되지 않는 "양성자 스핀 위기"와 같은 미해결 문제가 드러났다. 또한, 고에너지 충돌에서 관측되는 제트 현상은 강입자 내부에 쿼크가 자유롭게 존재한다는 점근 자유 개념을 확인시켜 주었다. 최신 가속기 실험은 양성자와 중성자의 질량 대부분이 쿼크의 운동 에너지와 글루온장에 기인한다는 것을 보여주며, 양자 색역학(QCD) 이론을 정밀하게 검증하는 데 기여하고 있다.

양성자와 중성자의 내부 구조에 대한 연구는 쿼크 모형이 확립된 이후에도 활발히 진행되는 핵심 분야이다. 초기 모형은 세 개의 가벼운 쿼크로 구성된 단순한 그림을 제시했으나, 고에너지 산란 실험을 통해 이들의 내부는 훨씬 더 복잡한 동역학을 가진다는 것이 밝혀졌다.

현대의 연구는 양성자 스핀 위기와 같은 근본적인 문제를 해결하는 데 집중한다. 실험에 따르면, 양성자의 스핀은 구성 쿼크들의 스핀 기여도만으로는 설명되지 않는다[11]. 이는 궤도 각운동량과 글루온의 스핀 기여도가 중요함을 시사하며, 연구자들은 편극된 딥 인엘라스틱 산란 실험 등을 통해 각 구성 요소의 정확한 기여도를 측정하고 있다.

내부 구조를 탐구하는 주요 접근법은 다음과 같은 가상 입자 분포 함수를 정밀하게 측정하는 것이다.

이러한 연구는 양자 색역학 이론의 검증을 넘어, 중성자 별 내부와 같은 극한 조건에서의 물질 상태를 이해하는 데 필수적이다. 최근의 실험 시설, 예를 들어 미국 제퍼슨 연구소의 연속 전자 빔 가속기 시설은 이러한 정밀 측정을 가능하게 하여, 양성자와 중성자를 구성하는 바다 쿼크와 글루온의 역학에 대한 새로운 통찰을 제공하고 있다.

강입자와 그에 대응하는 반강입자는 양자장론과 입자물리학의 표준 모형에서 중요한 대칭성을 나타낸다. 모든 강입자는 동일한 쿼크 구성에서 쿼크를 반쿼크로 대체하고 전하, 색전하 등의 양자수를 반전시킨 반강입자에 대응한다. 예를 들어, 양성자(uud)의 반입자는 반양성자(u̅u̅d̅)이며, 중성자(udd)의 반입자는 반중성자(u̅d̅d̅)이다. 이들은 질량과 평균 수명이 동일하지만, 전하와 같은 첨가적 양자수는 반대 부호를 가진다.

강입자와 반강입자의 쌍은 가속기에서 충돌 에너지가 충분히 높을 때 생성될 수 있다. 예를 들어, 양성자-양성자 충돌에서 에너지가 충분하면 새로운 양성자-반양성자 쌍이 생성된다. 이 과정은 질량-에너지 등가원리를 보여주며, 생성된 쌍은 일반적으로 서로 소멸하기 전에 매우 짧은 시간 동안 존재한다. 반강입자의 안정적인 보존은 극저온 및 고진공 상태에서 펜닝 트랩과 같은 특수 장치를 사용하여 이루어진다.

현대 연구에서 강입자-반강입자 시스템은 CP 위반 현상 연구와 물질-반물질 비대칭성 문제 탐구에 핵심적이다. 베타 붕괴와 같은 과정에서 입자와 반입자의 행동에 미묘한 차이가 존재할 수 있으며, 이는 우주 초기에 물질이 반물질을 압도하게 된 원인을 설명할 단서를 제공할 수 있다. 또한, 반양성자 빔을 이용한 정밀 스펙트럼 측정은 양성자와 반양성자의 질량이 정확히 동일한지 검증하여 기본 물리 법칙의 대칭성을 테스트한다.