2-2. 글루온 — 강한 핵력의 매개, 쿼크를 묶는 접착제

절대로 혼자가 될 수 없는 입자

자연에서 가장 이상한 감옥

물리학에는 수많은 놀라운 사실이 있지만, 이것은 그중에서도 손꼽힐 만큼 기이하다:

쿼크는 절대로 단독으로 존재할 수 없다.

절대로. 어떤 실험을 하든, 어떤 에너지를 쏟아붓든, 쿼크 한 개만을 꺼내 따로 관찰하는 것은 불가능하다. 양성자 안에 쿼크가 세 개 들어 있다는 것을 우리는 알고 있다 — 고에너지 전자를 양성자에 쏘아보면 내부에 점 같은 구조가 있다는 증거가 확실히 나온다. 그런데 아무리 세게 때려도, 쿼크 한 개가 튀어나오지 않는다. 대신 무슨 일이 벌어지느냐면, 새로운 입자들이 우르르 쏟아져 나온다.

마치 고무줄로 연결된 두 개의 공을 상상해 보자. 잡아당기면 고무줄이 늘어난다. 더 세게 당기면 더 늘어난다. 그런데 보통 고무줄이라면 어느 순간 끊어질 것이다. 하지만 쿼크를 묶는 "고무줄"은 다르다 — 끊어지는 순간, 끊어진 자리에 새로운 쿼크-반쿼크 쌍이 생겨나면서 새로운 "고무줄"이 양쪽에 만들어진다. 결과적으로, 혼자인 쿼크는 여전히 나타나지 않는다.

이 믿기 어려운 현상의 배후에 있는 것이 바로 오늘의 주인공, 글루온(gluon)이다.

이전 절에서 우리는 광자가 전자기력을 매개한다는 것을 배웠다. 광자는 질량이 0이고, 전하를 갖지 않으며, 서로 상호작용하지 않는 "고독한 전달자"였다. 글루온은 광자의 사촌 같은 존재이지만, 결정적으로 다른 점이 하나 있다. 그리고 그 차이가 전자기력과는 전혀 다른, 기괴하고도 아름다운 물리학을 만들어낸다.

핵심 질문: "쿼크를 묶는 힘은 무엇이며, 왜 쿼크는 절대로 홀로 존재할 수 없는가?"