모노폴(monopole)과 쿼크(quark)

Posted by ttahha
2010.10.02 03:51 분류없음
                             

[모노폴(monopole)]

전하에는 양전하와 음전하 두 종류가 있는데 서로 상대로부터 고립하여 존재한다. 음전하를 띤 전자기는 같은 세트의 방정식으로 함께 설명되며 전기와 매우 비슷하다. 자기에는 또한 남과 북 두 가지가 있다. 그러나 고립된 자기의 극은 절대로 생기지 않는다. 막대 자석을 반으로 잘라 북극과 남극으로 나누려고 해도 각각 북극과 남극을 가진 작은 막대 자석이 두 개 생길 뿐이다. 이러한 전기와 자기의 차이는 반세기 이상동안 수리 물리학자의 골치거리였다.

1931년에 양자 물리학의 창시자인 폴 디랙이 보통 양자 아론으로도 자기 모노폴(monopole)의 존재가 가능하다는 것을 증명했다. 존재는 필연적이진 않지만 방정식으로 그것을 금하는 것은 없다. 그리고 금지되지 않는 것은 반드시 생기는 것이 물리 법칙에서의 철칙인 것이다. 그러나 대체 어디에서, 언제 모노폴은 만들어지는 것일까?

1974년에 통일 이론의 표준 모델을 연구하던 각기 다른 연구 그룹이 똑같이 발견에 맞부딪혔다. 이들 통일 이론에 의하면, 우주는 빅 뱅의 고에너지 상태로부터 현재의 상태로 냉각함에 따라 대칭성이 깨지고 자기 모노폴의 생성으로 끝내지 않으면 안 되는 결과가 된다. 이들 이론으로는 모노폴의 생성은 필연적인 것이다. 게다가 이론은 각각의 모노폴이 얼마 만큼의 질량을 갖는가에 대해서도 서술하고 있다. 그에 의하면 양자 질량의 1016배가 된다. 현재로서는 지구상의 실험으로 이처럼 무거운 입자를 만들어낼 방법은 없다. 일반적으로는 소
립자를 만드는 실험은 가속기를 이용한다. 그러면 E=mc²의 관계에서 에너지를 무거운 소립자로 바꿀 수가 있는 것이다. 그리고 잘하면 그것들이 다른 소립자로 붕괴하기 전에 잠시 추적할 수가 있다. 이러한 실험적 작업이 지금까지의 이론의 정당함을 확인하고 있다고 말할 수 있을 것이다.

모노폴은 안정된 입자이기 때문에 그것을 탐구하는 학자에게 있어서 붕괴는 문제가 아니다. 만약 붕괴한다면 수류탄 한 개의 폭발에 필적할 마한 에너지를 방출한다. 그래서 이 정도의 에너지를 한 쌍의 충돌하는 소립자로 응축할 수가 있다면 지상의 소립자 가속기의 조작으로 만들 수 있을 것이다. 그러나 현재 가속기의 에너지는 1014배나 부족하다. 그러나 빅 뱅에서는 충분한 에너지가 있기 때문에 이론적으로는 자기 모노폴도 생겼을 것이라고 기대된다. 각각은 매우 무겁기 때문에 그 수는 많지 않을 것이다. 더구나 자기 모노풀은 아직 지구상에서는 검출되지 않고 있고 자기 모노폴에 의해 생기는 우주적인 현상도 찾아볼 수 없다. 만약 그것들이 충분한 양만큼 존재한다면 찾을 수 있을 것이다.

다시 말해 만약 우주를 평탄하게 할 수 있을 정도의 충분한 모노폴이 있다면, 지구상의 어디서나 축구장 정도의 면적을 매년 30개나 되는 모노폴이 통과할 것이다. 그것들은 또한 우리 은하계 전체에 미치고 있는 자장을 끊고 사라져 버릴 수도 있는 것이다. 만약 모노폴이 빅 뱅에서 만들어지는 것이라면 그것들이 발견되지 않는 것을 이론상의 수수께끼라고 할 수 있다. 여러 가지 형태의 인플레이션 이론이 이 수수께끼를 푸는 열쇠를 제공한다.

이 이론에 의하면, 극히 초기에 작은 시공의 한쪽이 극적으로 팽창하여 우리가 알고 있는 것과 같은 우주의 모습을 만들었다고 한다. 이 인플레이션은 우리 우주의 일관성과 평탄성을 위해 가정된 것이지만 동시에 극적인 팽창 때문에 우리가 보고 있는 우주의 영역에는 겨우 하나나 두 개의 모노폴밖에 존재하지 않는다고 하는 결론에 까지 이끌어간다.

통일 이론은 정당하고 자기 모노폴은 실제로 존재할지도 모른다. 그러나 보이는 우주 전체에 겨우 두, 세 개 정도 밖에 없다면 우리가 그 존재를 깨닫는 일은 없을 것이다. 모노폴이 우주에 더욱 풍부하게 있을 가능성은 아직 완전히 부정할 수는 없지만 열렬한 모노폴 신자조차도 그런 일은 있을 수 없다고 내심으로는 인정하고 있다.


[쿼크(quark) 덩어리]

꿈꾸는 이론가의 상상력이 생각해낸 것이 쿼크 덩어리이다. 이것은 1984년에 프린스턴 대학의 E. 위텐이 생각해 낸 것이다. 이것도 빅 뱅 중에는 일반적이었던 고에너지 상태에서 생긴다. 보통 바리온은 업(u)과 다운(d) 쿼크만으로 생긴다 이 이유 가운데 하나는 스트레인지(s) 쿼크는 훨씬 무겁고, 오늘날에는 자연적인 과정에서는 간단하게 만들어낼 수는 없다는 것을 들 수 있다. 그러나 빅 뱅에서는 충분한 에너지가 있고 그것이 스트레인지 쿼크로 변할 수 있었다. 위텐은 거의 같은 수의 u, d, s 쿼크에서 생긴 쿼크 덩어리는 안정되어 있다고 시사했다. 그는 빅 뱅에서 생긴 이 종류의 쿼크 덩어리가 0.01센티미터에서 10센티 범위의 반경을 갖고, 그것이 106에서 1018그램의 무게에 대응한다는 것을 증명했다. 그 덩어리들의 밀도는 중성자별 내부의 밀도보다 높을 것이다.

만약 우주를 평탄하게 할 수 있을 만큼의 물질이 이러한 덩어리 형태로 우주 전체에 흩어져 있다면, 지구가 공간을 움직임에 따라 1년 동안에 평균 106그램이 지구에 맞을 것이다. 이것에는 덩어리 한 개의 무게에 대응해 한 개의 큰 덩어리가 그 지구의 수명 동안에 한 번만 지구에 맞는다는 것에서부터 1,000개의 작은 덩어리가 매년 우리 위로 쏟아져 내리는 것까지 여러 가능성이 있다. 물론 쿼크 덩어리가 예전에 지구에 맞았던 증거는 없고, 또 이러한 물체가 존재한다는 증거도 없다. 따라서 그것들은 암흑 물질의 후보로는 적당하진 않다. 이것은 불운한 일이다. 왜냐하면, 이 덩어리는 바리온 물질과 암흑 물질의 비율이 10 이상은 차이가 나지 않는 우주를 실현하기 때문이다. 보통 밝은 바리온 물질과 덩어리와의 비율은 상당히 평등하다. 이 신비한 우연을 상당히 잘 설명할 수 있다.

그러나 유감스럽게도 위텐의 계산에 의하면 초기 우주의 에너지가 있는 뉴트리노가 이 쿼크 덩어리를 파괴해 버린다. 다시 말해 약 1027그램 이상이 아니면 살아갈 수가 없다고 한다. 이처럼 행성보다 무거운 덩어리라면 맨 처음에 어떻게 해서 생겼을까를 이상하게 생각할 수 있고 또한 그것과 마주치는 것도 대단히 어려워진다.

 

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