1-3. 렙톤 — 전자와 그 친척들
"누가 뮤온을 주문했지?"
1936년, 미국의 물리학자 칼 앤더슨(Carl Anderson)과 세스 네더마이어(Seth Neddermeyer)는 우주에서 날아오는 고에너지 입자, 즉 우주선(cosmic ray)을 연구하다가 이상한 입자를 발견했다.
이 입자는 전자와 놀랍도록 비슷했다 — 음전하를 띠고, 전기장과 자기장에 반응하는 방식도 전자와 동일했다. 하지만 전자보다 약 207배 무거웠다. 전자도 아니고, 양성자도 아닌, 그 중간 어딘가의 질량을 가진 수수께끼의 입자.
이 입자는 처음에 "뮤 중간자"(mu meson)라고 불렸지만, 나중에 중간자(meson, 쿼크로 이루어진 입자)와는 완전히 다른 종류임이 밝혀지면서 뮤온(muon, )이라는 이름을 갖게 되었다.
뮤온의 발견은 물리학자들을 당혹스럽게 만들었다. 전자가 이미 있는데, 전자의 무거운 복제품이 왜 필요한 거지? 당시에 알려진 어떤 이론도 뮤온의 존재를 요구하지 않았고, 뮤온이 자연에서 어떤 "역할"을 하는지도 불분명했다.
노벨상 수상자 이지도어 라비(Isidor Rabi)는 뮤온의 발견 소식을 듣고 이렇게 말했다고 전해진다:
"누가 그걸 주문했지?" ("Who ordered that?")
이 한 마디는 물리학 역사에서 가장 유명한 농담 중 하나가 되었다. 그리고 이 질문은 거의 90년이 지난 지금까지도 완전한 답을 얻지 못했다.
뮤온은 전자의 "친척"이었다. 그리고 놀랍게도, 이 가족에는 구성원이 더 있었다. 쿼크에 6종류가 있었던 것처럼, 전자와 그 친척들 — 렙톤(lepton)이라 불리는 입자 가족 — 도 정확히 6종류가 있었다. 그것도 쿼크와 동일하게 세 세대로.
이 절의 핵심 질문: 전자의 "친척"은 몇이나 있으며, 이 가족은 쿼크 가족과 어떤 관계인가? 그리고 거의 감지할 수 없을 정도로 유령 같은 입자 — 중성미자 — 의 정체는 무엇인가?
