전자와 양성자, 중성자를 구성하고 있는 쿼크가 정확히 뭔가요?

Question

전자, 양성자, 중성자를 이루는 것이 쿼크라고 알고 있는데 정확히 쿼크가 뭔가요? 쿼크도 종류가 있나요? 추가적으로 반물질이라는 용어를 영화나 여러 매체에서 많이 얘기하는데 반물질이라는 것이 정확히 뭔지 궁금하네요.

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안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

먼저 한 가지 바로잡아 드릴게요. 쿼크가 전자까지 구성한다고 알고 계셨는데, 전자는 쿼크로 이루어져 있지 않아요. 쿼크로 만들어진 건 양성자와 중성자이고, 전자는 그 자체로 더 쪼갤 수 없는 가장 기본적인 입자거든요. 이 차이부터 짚고 들어가면 이해가 한결 쉬워져요.

물질을 계속 쪼개보면 원자가 나오고, 원자를 쪼개면 가운데 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 나뉘어요. 여기서 원자핵은 양성자와 중성자로 또 나뉘는데, 이 양성자와 중성자를 한 번 더 쪼개면 그때 나오는 게 쿼크예요. 그런데 전자는 아무리 쪼개려 해도 더 작은 알맹이로 나뉘지 않아요. 그래서 전자와 쿼크는 둘 다 자연에서 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자라는 같은 급에 속해요. 전자가 쿼크로 만들어진 게 아니라, 전자와 쿼크가 나란히 물질의 가장 밑바닥 재료인 거예요.

쿼크는 종류가 여섯 가지예요. 위, 아래, 맵시, 기묘, 꼭대기, 바닥이라는 다소 엉뚱한 이름이 붙어 있어요. 이 중에서 평범한 물질을 이루는 건 위 쿼크와 아래 쿼크 두 가지뿐이에요. 양성자는 위 쿼크 두 개와 아래 쿼크 한 개가 묶인 거고, 중성자는 위 쿼크 한 개와 아래 쿼크 두 개가 묶인 거예요. 똑같은 재료를 몇 개씩 넣느냐에 따라 양성자가 되기도 하고 중성자가 되기도 하는 거죠. 나머지 네 종류의 쿼크는 훨씬 무겁고 불안정해서 입자 가속기 같은 특수한 환경에서만 잠깐 나타났다 사라져요.

반물질은 보통 물질의 거울상 같은 존재예요. 모든 입자에는 질량은 똑같지만 전하가 정반대인 짝이 있는데, 이 짝을 반입자라 하고 반입자로 이루어진 게 반물질이에요. 전자는 마이너스 전하를 띠는데 그 짝인 양전자는 질량이 같으면서 플러스 전하를 띠어요. 쿼크에도 각각 반쿼크가 있고요.

반물질의 가장 극적인 성질은 보통 물질과 만나면 둘 다 순식간에 사라지면서 엄청난 에너지를 내뿜는다는 거예요. 이걸 쌍소멸이라고 해요. 이때 물질이 가진 질량이 100퍼센트 에너지로 바뀌는데, 핵폭탄도 질량의 극히 일부만 에너지로 바꾸는 걸 생각하면 반물질의 에너지 효율이 얼마나 어마어마한지 짐작이 가실 거예요. 영화에서 반물질을 궁극의 에너지원이나 폭탄으로 묘사하는 게 이 때문이에요.

다만 현실에서 반물질은 만들기가 극도로 어렵고 양도 미미해요. 거대한 입자 가속기에서 아주 미세한 양만 잠깐 만들어낼 수 있고, 보관도 까다로워요. 보통 물질에 닿는 순간 소멸해버리니까 자기장으로 공중에 띄워 가둬야 하거든요. 그래서 영화 속 반물질 폭탄 같은 건 원리상으로는 가능해도 현실에서는 사실상 불가능한 이야기랍니다. 현재 반물질은 무기보다는 우주의 근본 원리를 연구하거나 의료 영상 장비에 활용하는 쪽으로 쓰이고 있어요 :)