아일랜드 출신의 소설가 제임스 조이스James Augustine Aloysius Joyce, 1882-1941는 무려 17년에 걸쳐 책을 한 권 썼다. 거기에는 아일랜드 신화와 민요가 들어있었고, 수십 종류의 언어와 익살이 가득 채워져 있었다. 그리고 현실인지 환상인지 농담인지 꿈인지 모를 시공을 초월한 이야기가 담겨 있었다. 이 책은 바로 역사상 가장 읽기 힘들다고 알려진 소설, 1939년 출판된 『피네건의 경야Finnegans Wake』이다. 이 책의 2부 4장 맨 앞에는 아리송한 시가 한 편 나온다. 이 시는
“마크 대왕을 위한 3개의 쿼크Three quarks for Muster Mark!”
라는 모호한 외침으로 시작한다. 마크 대왕은 누구며, 3개의 쿼크는 또 무엇인가? 이건 마치 아일랜드 더블린의 후미진 곳에 있는 어느 선술집에서 술꾼 한 명이 호기롭게 술집 주인에게 외치는 소리 같다. “어이! 여기, 마크 씨에게 위스키 석 잔만!” 그런데 위스키 석 잔이 아니라 3개의 쿼크라니? 어쩌면 그건 위스키에 곁들여 먹을 치즈 세 조각이었을지도, 아니면 술에 취한 자가 혀가 꼬여 내뱉는 의미 없는 말이었을지도 모른다. 쿼크는 어차피 그런 말이었다. 그런데 이 “마크 대왕을 위한 3개의 쿼크”로 시작하는 이 시 속에는 아주 옛날, 아일랜드에서 전해 내려오던 트리스탄과 이졸데의 전설 한 자락이 깃들어 있다.
트리스탄과 이졸데, 쿼크의 신화
오래전 영국 서남쪽에는 마크 왕이 다스리는 콘월이라는 나라가 있었다. 콘월은 아일랜드와 오랫동안 사이가 좋지 않았는데, 마침내 두 나라는 전쟁으로 치달았다. 마크 왕에게는 용감하고 유능한 기사, 트리스탄이 있었다. 그는 왕의 명령을 받아 군대를 이끌고 아일랜드 군대와 싸우다가 그만 전투에서 심각한 상처를 입어 죽을 위기에 처했다. 아일랜드에는 이졸데라는 공주가 있었다. 그녀는 우연히 전쟁터에서 죽어가던 트리스탄을 발견했고, 비록 적군이었지만 죽어가는 트리스탄을 치료하고 간호해주었다.
이졸데의 간호를 받아 다시 살아난 트리스탄은 콘월로 돌아갔다. 트리스탄에게서 그 이야기를 들은 마크 왕은 아일랜드의 여왕에게 화친을 청하며 이졸데와 결혼하고 싶다고 했다. 여왕은 여전히 콘월이라는 나라가 싫었지만, 이졸데 공주가 마크 왕과 결혼한다면 이 지긋지긋한 전쟁도 끝낼 수 있으리라 여겼다. 마크 왕은 전쟁에서 돌아온 트리스탄에게 다시 아일랜드로 가서 이졸데 공주를 모셔오라고 명령했다. 왕의 조카이자 충직한 기사였던 트리스탄은 다시 아일랜드로 건너갔다.
아일랜드의 여왕은 콘월로 건너가지 않으려는 이졸데를 설득했다. 그리고는 그녀에게 물약이 담긴 작은 병을 주며, 결혼하는 날 마크 왕과 반반씩 나눠 마시라고 이졸데에게 거듭 다짐을 받았다. 그러나 이졸데는 배를 타고 아일랜드를 떠나 콘월로 가는 동안, 이 물약을 트리스탄과 나눠 마셨다. 이 물약에는 두 남녀가 나눠 마시면 서로 깊이 사랑에 빠져들게 하는 마법이 걸려 있었다. 이졸데는 트리스탄과 헤어날 수 없는 영원한 사랑에 빠져들고 말았다. 콘월에 도착한 이졸데는 어쩔 수 없이 마크 왕과 결혼했지만, 이미 마음속으로는 트리스탄만을 사랑하고 있었다. 두 사람 사이를 알게 된 마크 왕은 결국 트리스탄을 죽음으로 몰아가면서 이 전설은 비극으로 끝을 맺는다. 쿼크는 잔혹한 왕 마크의 쿼크였다.
제임스 조이스는 자신이 쓴 『피네건의 경야』의 한 문구 “마크 대왕을 위한 세 개의 쿼크!”가 물리학에서 쓰일 거라고는 상상조차 못 했을 것이다. 머리 겔만Murray Gell-Mann, 1929-2019(1969년 노벨 물리학상 수상)이 쿼크라는 단어를 물리학에 도입할 때까지 살아있었더라면, 조이스는 아마 흐뭇하게 웃으며 이렇게 말했을 것이다.
“그것, 참으로 딱 어울리는 이름입니다. 그런 신비로운 입자에 쿼크라는 이름은 아주 제격입니다.”
조이스의 시에 나오는 “3개의 쿼크”는 물리학에서 물질의 근본을 상징하는 은유로 탄탄히 자리 잡았다. 트리스탄과 이졸데의 낭만적인 전설은 이런 식으로 물리학에도 깃들어 있다.
쿼크와 입자들
1946년 10월 15일, 영국 맨체스터 대학교에 있던 조지 로체스터George Rochester, 1908-2001와 찰스 버틀러Charles Butler, 1922-1999는 하늘에서 내려오는 우주선宇宙線, cosmic ray을 분석하다가 그만 이상한 입자를 발견하였다. 이상하다는 말 그대로 지금까지 본 적이 없는 참으로 이상한 입자였다. 그들의 발견은 1950년대의 입자 물리학을 혼돈 속으로 몰아넣는 전조였다. 그 후로 이상한 입자들이 우주선에서, 그리고 입자 가속기에서 속속 발견되었다.
혼돈에 빠진 물리학자들이 오죽 답답했으면 “앞으로 새로운 입자를 발견한 사람한테는 10,000달러의 벌금을 내게 해야 한다”는 말까지 나왔을까? 물리학자들은 그때까지 혼돈을 한 번쯤 정리해야 한다고 생각했다.
1953년 7월 프랑스 서남부에 위치한 도시 바네레 드비고흐Bagnères de Bigorre에서 학회가 하나 열렸다. 이 학회에 참석한 물리학자들은 그때까지 발견된 입자들을 차분히 분류하는 작업을 진행했다. 중간자meson는 파이 중간자와 K-중간자로 나뉘었다. 이 K-중간자는 오늘날 케이온이라고 부르는 입자다. 중간자는 양성자나 중성자와는 달리 물질을 이루지 않는다. 모든 중간자는 잠시 생겼다가 사라진다. 이 중에서 파이 중간자는 핵자(양성자와 중성자를 통칭하는 말)들 사이에 힘을 매개하는 입자로 잘 알려져 있다. 핵자보다 질량이 더 크면서 마치 핵자처럼 스핀은 반정수배인1 입자를 하이퍼론hyperon이라고 불렀다.
나중에는 네덜란드의 물리학자 아브라함 파이스Abraham Pais, 1918-2000가 핵자와 하이퍼론을 포함해서 중입자Baryon라고 통칭하였다. 바리온이라는 단어는 헬라어에서 무겁다는 것을 뜻하는 바로스baros에서 왔다. 이 당시 물리학자들은 마치 생물학자들이 동물과 식물을 분류하듯이 입자를 분류하긴 했지만, 왜 그런 입자들이 존재하는지, 또 왜 그런 방식으로 분류할 수 있는지는 설명할 수 없었다. 그 답을 알기 위해서는 조금 더 시간이 필요했다.
대칭성은 물리학자들이 자연을 이해하는 데 늘 등불 역할을 해왔다. 입자들을 분류하는 데도 대칭성이 가장 중요했다. 그리고 이 대칭성을 가장 잘 표현하는 수학은 군 이론group theory이었다. 군 이론은 이미 양자역학에서 쓰이고 있었다. 하이젠베르크가 아이소스핀isospin이란 개념을 제안한 뒤, 물리학자들은 줄곧 양성자와 중성자를 한 데 묶어서 표현할 때 SU(2) 군이란 수학을 사용해왔다. 원자핵을 구성하는 양성자는 전하량이 1이고, 중성자에는 전하가 없다는 것만 빼면 두 입자는 그다지 다를 게 없었다. 두 입자를 마치 한 형제처럼 다룰 수 있게 해주는 게 SU(2) 군이었다. 그러다 보니 중입자들이 여럿 발견되었을 때 이 SU(2) 군을 좀 더 큰 SU(3) 군으로 확장하는 건 아주 자연스러운 일이었다.
일본의 첫 노벨상 수상자 히데키 유카와湯川 秀樹, Yukawa Hideki, 1907–1981(1949년 노벨 물리학상 수상)의 제자였던 사카타 쇼이치坂田昌一, Shoichi Sakata, 1911-1970는 나고야 대학교의 입자 물리학 그룹을 이끌고 있었다. 그 역시 새롭게 발견되는 중입자들을 잘 정리하고 싶었다. 그와 그의 동료들은 핵자와 더불어 그때까지 발견된 중입자 중 하나였던 람다(\(\Lambda\) : Lambda) 중입자를 선택해서 SU(3) 군의 뼈대로 삼았다. 그러자 그때까지 발견된 입자들이 제법 잘 분류가 되었다. 그러나 왜 람다 중입자를 다른 핵자와 함께 기본 입자로 다룰 수 있는지 분명한 이유를 찾기는 어려웠다. 사카타의 이론은 참으로 놀라운 구석이 있긴 했지만, 아귀가 딱 맞아 떨어지는 느낌은 아니었다. 뭔가 새로운 게 필요했다.
1964년, 겔만은 출간된 지 2년밖에 안 된 신생 학술지 <피직스 레터스Physics Letters>에 두 쪽짜리 짤막한 논문을 출판하였다. 이 논문의 제목은 “중입자와 중간자들의 개략적 모형A schematic model of baryons and mesons“이었다. 쿼크라는 말은 이 논문에서 최초로 등장한다. 겔만 자신도 쿼크를 도입하긴 했지만 이런 입자가 정말 존재할 것이라고는 믿지 않았다. 가장 큰 문제는 쿼크의 전하량이었다.
전자의 전하량을 –1이라고 했을 때, 양성자의 전하량은 정확히 +1이다. 겔만의 새 이론에 따르면 양성자 하나는 전하가 2/3인 위 쿼크up quark 두 개, 그리고 전하가 –1/3인 아래 쿼크down quark 하나로 이뤄진 일종의 중입자였다. 쿼크의 전하가 1이 아니고 유리수라는 사실은 그 당시 물리학자들이 받아들이기 힘든 소리였다. 전하량은 반드시 정수이어야만 한다는 건, 물리학자들에게 성배나 다름없었다. 겔만도 그 사실을 모를 리 없었으니, 쿼크를 제안한 본인도 이 입자가 실제로 존재할 거라고는 믿지 않았다. 아마도 그런 이유로 겔만은 이 논문을 상대적으로 출판하기 쉬운 신생 학술지에 투고했는지도 모른다. 논문은 투고한 지 한 달 만에 출판되어 나왔다.
쿼크 모형도 사카타 모형처럼 SU(3) 군을 사용하였다. 그러나 겔만은 지금까지 존재하는 중입자들을 SU(3) 군의 뼈대로 삼지 않고, 위 쿼크, 아래 쿼크, 그리고 기묘 쿼크strange quark라는 세 가지 쿼크를 대신 도입했다.2 그리고 이 쿼크들의 반입자인 세 종류의 반쿼크도 자연스레 포함되었다. 겔만은 중간자를 쿼크 하나와 반쿼크 하나로 이뤄진 입자로 봤다. 그리고 중입자는 쿼크 세 개로 구성할 수 있었다. 쿼크에는 세 종류가 있고 반쿼크에도 세 종류가 있으니, 모두 아홉 개의 중간자를 만드는 게 가능했다. SU(3) 군의 표현론을 따르면 아홉 개는 다시 여덟 개와 하나로 나뉜다.
겔만은 그때까지 발견된 중간자가 이 표현에 멋들어지게 맞아떨어진다는 걸 보였다. 세 종류의 쿼크 세 개로 만들 수 있는 중입자는 모두 스물일곱 개였다. 여기서도 마찬가지로 수학자들이 세워놓은 법칙을 따라 정리해봤더니 팔중항(\(8\))과 십중항(\(10\))이 나왔다. 놀랍게도 그때까지 발견된 중입자들이 팔중항과 십중항에 자기 자리를 찾아 들어갔다. 십중항에는 딱 한 자리가 비어 있었다. 겔만 자신이 몇 년 전 존재를 예언했던 오메가 중입자(\(\Omega^{-}\))를 그 빈자리에 넣어 봤더니 십중항 구조가 완벽하게 드러났다. 이 오메가 중입자는 겔만이 쿼크를 도입한 해에 브룩헤이븐 국립연구소에서 발견되었고, 몇 년 뒤 겔만이 노벨 물리학상을 받는 데 결정적인 역할을 했다.
펜타쿼크의 탄생
그런데 겔만의 본래 논문에는 네 개의 쿼크와 반쿼크 하나로 이뤄진 중입자, 두 개의 쿼크와 두 개의 반쿼크로 되어있는 중간자 이야기도 살짝 들어가 있었다. 물론 그때만 해도 이런 입자들이 존재할 것이라고는, 겔만도 심각하게 생각하지는 않았을 것이다. 이 네 개의 쿼크와 반쿼크 하나로 되어있는 중입자는 펜타쿼크pentaquark라고 하고, 두 개의 쿼크와 두 개의 반쿼크로 구성된 입자는 테트라쿼크tetraquark라고 부른다. 펜타쿼크라는 말이 세간에 오르내리기 전에도 물리학자들은 이따금 이 펜타쿼크를 연구하기도 했다.
펜타쿼크 중에서도 특별히 사람들의 관심을 끈 건 위 쿼크up quark 두 개, 아래 쿼크down quark 두 개, 반 기묘쿼크anti strange quark 하나로 되어있는 중입자였다. 그건 지금까지 발견된 중입자 중에서 반 기묘쿼크가 들어있는 입자는 실험에서 발견된 적이 없었기 때문이다. 처음에는 \(Z^{+}\)라고 불리던 이 펜타쿼크는 2000년도에 들어서야 세타 플러스(\(\Theta ^{+}\))라는 이름으로 불리게 되었다. 그 이유는 이미 워낙 많은 중입자가 발견되었기 때문에 이 펜타쿼크의 이름으로 사용할 만한 그리스 문자가 달랑 이 세타 하나만 남아서였다.
1997년, 디아코노프D. I. Dyakonov, 페트로프V. Petrov, 폴야코프M. V. Polyakov가 손지기 솔리톤 모형chiral soltion model을 써서 쿼크가 다섯 개 있는 입자들이 존재할 것이라는 걸 예측했다. 이 모형에서는 쿼크 모형에서처럼 중입자 팔중항baryon octet과 중입자 십중항baryon decuplet이 자연스레 등장한다. 그런데 이 두 표현 말고도 그다음 표현이 하나 더 나오는데, [그림3]의 중입자 반십중항baryon antidecuplet이 그것이다. 이 펜타쿼크 중입자 중에서도 가장 눈에 띄는 것은 삼각형의 맨 위 꼭짓점에 놓여있는 \(\Theta^{+}\)이다. 세 명의 러시아 물리학자들은 펜타쿼크의 질량만 구한 게 아니라 붕괴폭도 구하였는데, 그들이 예측한 \(\Theta^{+}\)의 붕괴폭은 15 MeV쯤 되었다.3
만약 실험 물리학자가 없었다면 이 논문은 그저 그런 이론 논문 중 하나로 남았을 것이다. 2001년 2월 21일부터 25일까지 오스트레일리아 남쪽에 있는 도시 애들레이드에서 학회가 열렸다. 디아코노프는 이 학회에서 일본 실험물리학자 나가노T. Nakano를 만나서 \(\Theta^{+}\)를 한 번 찾아보지 않겠느냐고 제안했다. 나가노는 일본 효고현에 있는 8 GeV의 대형 방사광 가속기 SPring-8에서 핵물리학 실험을 하고 있었다.
이듬해에 나가노는 탄소 핵에 광자를 때려서 케이온 두 개가 튀어나오는 실험을 했다. 이 광자는 탄소 핵 안에 든 중성자와 반응을 하면서 \(\Theta^{+}\)를 만들어냈다. 나가노의 실험에서 관측한 펜타쿼크의 질량은 1540 MeV/c2정도 되었고, 붕괴폭은 25 MeV보다 작았다. 실험 결과는 2003년 7월에 논문으로 출판되어 나왔다. 그리고 얼마 지나지 않아 미국 제퍼슨 연구소에 있는 CLAS 실험 그룹에서도 \(\Theta^{+}\)를 발견했다.
펜타쿼크의 발견으로 세상은 한바탕 떠들썩해졌다. 신문이나 텔레비전 뉴스마다 쿼크 다섯 개로 이루어진 입자를 발견했다고 보도했다. 과학 학술지 <사이언스>에서는 “펜타쿼크의 발견으로 이론가들이 즐거워졌다Evidence for ‘Pentaquark’ Particle Sets Theorists Re-Joyce-ing”라는 말을 하며 『피네건의 경야』를 쓴 조이스 이름이 드러나도록 말장난을 하기도 했다. 이 발견이 워낙 유명해지자 [그림1]에 나오는 표현이 유명한 미국 드라마 <빅뱅 이론>에 잠시 나오기도 했다.
세상만 떠들썩해진 건 아니었다. 다른 실험 그룹에서도 경쟁하듯이 이 새로운 입자를 발견했다고 발표했다. 얼마 지나지 않아 \(\Theta^{+}\)를 봤다고 하는 실험이 열 개를 넘어섰다. 그러나 또 한 편에서는 \(\Theta^{+}\)를 열심히 찾아봤지만 그런 입자는 발견되지 않았다고 했다. 이 입자를 보지 못한 실험 그룹도 열 군데가 넘었다. 흥미롭게도 \(\Theta^{+}\)를 발견하지 못한 실험은 한결같이 에너지가 수십, 수백 GeV (1GeV=\(10^{9} eV\))를 넘어가는 고에너지 실험이었다. 그래도 열 한 군데 실험실에서 \(\Theta^{+}\)를 봤다고 했으니, 물리학자들은 이 펜타쿼크가 존재한다는 걸 기정사실로 받아들였다.
그리고 2006년 \(\Theta^{+}\)는 입자 물리학의 데이터를 총정리하는 PDGParticle Physics Group의 리뷰에 당당히 한 자리를 차지했다. 게다가 미국 에너지부에서는 제퍼슨 연구소에서 \(\Theta^{+}\)를 발견한 것을 2003년 핵물리학 최고의 성과로 인정하였다. 그러나 고에너지 실험에서 \(\Theta^{+}\)를 발견하지 못했다는 사실은 사람들 마음속에 “과연 이 펜타쿼크가 존재하는 것인가?”라는 의구심을 남겨두었다.
펜타쿼크의 죽음
아니나 다를까, 2006년 6월 1일에 <피지컬 리뷰 레터스Physical Review Letters>에 논문이 한 편 실렸다. 제퍼슨 연구소의 실험 그룹 중 하나인 CLAS 공동연구에서 실험 데이터의 양을 훨씬 더 늘려서 측정한 결과에서는 \(\Theta^{+}\)가 온데간데없이 사라지고 없었다. 연이어 나온 실험 결과도 마찬가지였다. 눈을 씻고 찾아봐도 \(\Theta^{+}\)는 보이지 않았다. 파이 중간자 빔을 이용한 실험에서도 펜타쿼크는 발견되지 않았다.
새로운 실험에서 펜타쿼크를 발견하지 못했다는 소식은 물리학자들을 충격에 빠뜨렸다. 사람들은 \(\Theta^{+}\)의 이야기를 꺼내는 것 자체를 꺼렸고, 그 이야기가 나오면 신경질적으로 반응할 정도였다. 2008년에 나온 PDG 리뷰에서도 \(\Theta^{+}\)는 지워지고 말았다. 그러나 여전히 질문 하나는 남았다. 그 많은 실험 그룹에서 \(\Theta^{+}\)라고 여겼던 데이터는 도대체 무엇이었을까?
누구도 질문에 대답하지 않았다. \(\Theta^{+}\)라는 이름은 그들에게 상흔을 남긴 것만 같았다. 한 번은 어느 학회에서 중국 물리학자 한 명이 기묘쿼크로만 되어있는 \(\phi\) 중간자(\(s \overline{s} \))의 광생성을 설명하면서 그때까지 발견되지 않은 들뜬 양성자의 역할을 강조했다. 이 들뜬 양성자가 \(\phi\) 중간자와 결합하려면, 위 쿼크와 아래 쿼크 말고도 기묘쿼크와 반 기묘쿼크를 포함해야만 했다. 누군가 중국 물리학자에게 질문했다.
“그러면 그 들뜬 양성자는 펜타쿼크 아닌가요?”
그러자 중국 물리학자는 화들짝 놀라며 양손을 좌우로 거칠게 휘저었다.
“아, 이 들뜬 양성자는 절대로 펜타쿼크가 아닙니다.”
그렇게 한동안 \(\Theta^{+}\)는 마치 해리포터에 나오는 볼드모트의 이름처럼 거론해서는 안 되는 입자가 되고 말았다. 이후로 \(\Theta^{+}\)와 관련 있는 이론 논문은 거의 출판되지 않았다.
그러나 나가노가 이끄는 일본 실험 그룹LEPS Collaboration의 데이터에서는 여전히 \(\Theta^{+}\)가 보였다. 아무리 이 입자를 제거하려 하여도 여전히 \(\Theta^{+}\)는 모습을 드러냈다. 그뿐만이 아니었다. 러시아에 있는 DIANA 실험 그룹에서도 \(\Theta^{+}\)가 존재한다는 사실을 계속 발표하였다. 이 실험은 제논Xenon, 원자변호 54 핵에 케이 중간자 빔을 때려서 중성 케이 중간자와 양성자를 측정하는 실험이었다. 이 실험에서는 \(\Theta^{+}\)의 질량뿐만 아니라 붕괴폭도 비교적 정확하게 측정하였는데, 그 폭이 0.36 MeV밖에 되지 않는다고 발표하였다. 만약에 이 펜타쿼크의 붕괴폭이 0.36 MeV라면, 이 입자를 제대로 발견하기 위해서는 정말 엄청나게 좋은 해상도를 갖춘 검출기가 필요하다.
일본과 러시아에서만 이 펜타쿼크가 발견되다 보니 펜타쿼크라는 입자는 국지적으로만 존재하는 입자인지도 모르겠다는 말까지 나왔다. 만약에 일본과 러시아 물리학자들이 본 것이 \(\Theta^{+}\)가 아니었다면, 그들이 본 건 무엇이었을까? 그리고 \(\Theta^{+}\)가 존재한다고 주장하던 그 많은 실험물리학자들이 봤다던 \(\Theta^{+}\)는 도대체 무엇이었던걸까? 역설적이게도 미국 에너지부에서는 펜타쿼크가 존재하지 않는다고 검증한 CLAS 실험을 2006년 핵물리학 분야에서 가장 훌륭한 성과라고 치켜세웠다.
2012년에는 다시 살짝 놀랄만한 일이 있었다. 제퍼슨 연구소에 있는 물리학자들이 CLAS 데이터를 조금 다른 방법으로 다시 분석했더니 1530 Mev/c2 근처의 질량 값에서 아주 뚜렷한 봉우리를 발견한 것이었다. 그건 \(\Theta^{+}\)였다. 더구나 데이터의 정확도는 6시그마나 되었다. 이 논문은 <피지컬 리뷰 C>에 실렸는데, 얼마 지나지 않아 CLAS 실험 그룹에서는 이 논문의 결과를 반박하는 논문을 써서 아카이브(www.arxiv.org)에 올렸다. 재미있게도 이 반박 논문은 <피지컬 리뷰 C>에 게재 허락을 받지 못했다. 이미 출판된 논문을 반박한 근거가 탄탄하지 못했던 게 이유였다. 이 반박 논문의 저자 중 한 사람은 먼저 논문을 쓴 몇몇 물리학자들을 반란자라고 불렀다. \(\Theta^{+}\)를 입에 올린다는 사실이 이렇게 어렵고 욕먹을 일이 되고 말았다.
무거운 펜타쿼크
물리학자들이 펜타쿼크의 악몽에서 그나마 벗어난 건, CLAS 실험이 나온 지 거의 십 년 가까이 되어서였다. 유럽 핵·입자물리학 연구소에 있는 LHCb 실험 그룹에서 새로운 입자를 발견했다. 그건 무거운 펜타쿼크였다. 그 입자는 양성자와 맵시쿼크로만 이루어져 있는 \(J/ \Psi \) 차모니움charmonium이 약하게 결합된 상태였다. 그러니까 가벼운 쿼크가 셋, 무거운 쿼크가 둘로 되어있는 새로운 입자였다. 그래서 이 입자의 이름은 양성자와 비슷하게 \(P_{c}\)라고 부른다. 아래 첨자 \(c\)는 맵시쿼크charm quark가 있는 입자라는 걸 암시하고, \(P\)는 양성자가 뼈대가 되는 중입자임을 드러낸다. 이 입자는 무거운 펜타쿼크라고도 부르지만, 두 입자가 아주 짧은 시간 동안만 살짝 붙었다가 떨어지는 분자 상태라고도 부른다.
또 한 번 세상이 떠들썩해졌다. 이번에도 신문마다 뉴스마다 이 새로운 입자의 발견을 알렸다. 2019년 6월, LHCb 실험에서는 세 개의 서로 다른 \(P_{c}\)가 존재한다는 사실을 발표했다. 3년 전 실험보다는 훨씬 더 정교한 데이터였다.
이 펜타쿼크는 쿼크 다섯 개로 이루어진 입자로 볼 수도 있지만, 무거운 중간자와 무거운 중입자, 아니면 차모니움과 가벼운 중입자로 묶여있는 분자 상태라고 생각할 수도 있다. 펜타쿼크의 진짜 모습을 이해하려면 이론물리학자들이 제법 힘을 써야만 한다. \(P_{c}\)가 발견되었다는 사실은 많은 걸 암시한다. \(J/ \Psi \)를 제외한 다른 차모니움들도 양성자, 또는 기묘쿼크가 있는 하이퍼론과도 묶일 수 있다. 아직 공식적으로 발표는 나지 않았지만, \(J/ \Psi \)와 \(\Lambda\) 하이퍼론이 묶여있는 새로운 펜타쿼크도 LHCb에서 발견하였다. 무거운 펜타쿼크는 앞으로도 계속 발견될지 모른다.
무거운 펜타쿼크가 가벼운 펜타쿼크보다 더 쉽게 발견되는 이유는 무엇일까? 이건 테트라쿼크의 경우도 비슷하다. 무거운 테트라쿼크는 지금까지 무척 많이 발견되었지만, 가벼운 테트라쿼크의 존재를 규명하는 건 무척이나 까다롭다. 거칠게 설명하자면, 가벼운 쿼크는 가벼워서 늘 빨리 움직이고 서로 반응하는 시간 역시 아주 짧다. 반면 맵시쿼크는 위 쿼크나 아래 쿼크보다 천 배 이상 무겁고 가벼운 쿼크에 비해 훨씬 더 천천히 움직인다. 무거운 쿼크 하나가 테트라쿼크나 펜타쿼크 안에 떡 버티고 있으면, 무거운 펜타쿼크나 테트라쿼크는 가벼운 녀석들보다 안정된 입자를 이루고 있을 확률이 더 높아진다.
가벼운 펜타쿼크는 존재할 것인가?
다시 가벼운 펜타쿼크로 돌아가 보자. 최근에 제퍼슨 연구소에서 케이 중간자를 이용해서 새로운 입자를 찾는 실험 계획이 통과되었다. 여전히 \(\Theta^{+}\)를 입에 담는 건 쉬운 일이 아닌지라 이 실험을 계획한 물리학자들이 만든 계획서에서는 펜타쿼크를 거론하지 않았지만, 그들 마음속 한구석에는 실험을 하면서 다시 펜타쿼크를 찾으려는 뜻이 있을 것이다.
이 펜타쿼크의 존재 여부에 마침표를 찍을 수 있는 장소가 있다. 일본 원자력 연구센터에 있는 30 GeV 양성자 가속기(J-PARC)에서 나오는 케이 중간자 빔을 이용하면, 별다른 해석 없이 데이터에서 바로 \(\Theta^{+}\)를 확인할 수 있다. 지금까지 케이 중간자 빔을 이용해서 \(\Theta^{+}\)를 찾으려고 한 적은 없었다. J-PARC에는 이미 해상도가 뛰어난 검출기가 있고, \(\Theta^{+}\)를 찾는 데 안성맞춤인 케이 중간자 빔도 쉽게 얻을 수 있다.
문제는 실험물리학자들의 의지다. 광자를 이용하거나 파이 중간자를 이용한 실험에서는 이 \(\Theta^{+}\)를 발견하지 못했으므로, \(\Theta^{+}\)를 찾으려는 동력이 많이 떨어진 건 사실이다. 그러나 케이 중간자 빔으로 중양자를 두들긴 다음, 거기서 나오는 중성 케이 중간자와 양성자 두 개를 측정하면, 이 반응이 일어나는 과정 동안에 \(\Theta^{+}\)가 생겨났다가 사라진 걸 쉽게 확인할 수 있다. 만약에 이 실험에서 \(\Theta^{+}\)가 보이지 않는다면? 그건 이 펜타쿼크는 정말이지 존재하지 않는 입자라는 걸 의미한다. 이런 점에서 제퍼슨 연구소에서 곧 하게 될 실험과 J-PARC에서 할 수 있는 실험은 \(\Theta^{+}\)의 존재를 밝힐 최종 실험인 셈이다.
맺음말
물리학의 발전은 한 번씩 우여곡절 끝에 이뤄지기도 한다. 중간자가 처음 발견될 때도 그랬다. 1935년, 유카와 히데키가 강력을 설명하면서 파이 중간자의 존재를 예언했다. 그리고 그로부터 2년 뒤, 1932년에 양전자를 발견했던 칼 앤더슨이 새로운 입자를 하나 찾아냈는데, 그 입자가 유카와가 예언했던 입자와 질량이 비슷했다. 그때도 물리학자들은 2003년 펜타쿼크가 처음 발견되었을 때와 비슷한 감정이었을 것이다. 그러나 시간이 지나면서 그 입자는 중간자가 아니라 전자의 사촌 격인 뮤온이라는 게 밝혀졌다. 유카와가 예언했던 파이 중간자는 유카와가 그 입자를 예언한 지 12년이 지나서야 영국 브리스틀 대학교의 세실 파월Cecil F. Powell, 1903-1969이 이끄는 실험 그룹에서 발견하였다.
펜타쿼크 \(\Theta^{+}\)의 운명도 파이 중간자처럼 새로운 입자로 자리 잡을지, 아니면 그저 물리학에서 일어났던 한바탕의 소동일지 시간이 지나면 밝혀질 것이다. 그래도 이 가벼운 펜타쿼크에 관한 토론이 무거운 펜타쿼크가 발견되는 데 어느 정도 기여는 한 셈이다. 물리학의 발전은 한달음에 이뤄지지 않는다. 그저 한발씩 나아가다 보면 이 가벼운 펜타쿼크를 두고 일어났던 사건도 결국은 물리학의 발전에 좋은 영향을 끼쳤다고 말할 날이 올 것이다.
