1kg 상자안에 1.5kg의 물질이 들어있는데 무게가 1kg인 이상한 세상의 법칙

1kg 상자안에 1.5kg의 물질이 들어있는데 무게가 1kg인 이상한 세상의 법칙

본 내용은 Nature(20220817)에 게재되었습니다.

원자의 핵에서 새로운 입자가 발견되었습니다.

현재까지의 확률은 99.7%이며, 확정된다면 큰 파장이 예상됩니다.

당연히 과학 교과서의 내용도 완전히 바뀌게 될 겁니다.

세상의 모든 물질들은 원자로 이루어져 있습니다.

그리고 원자는 원자 핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 이루어져 있죠.

또한 원자의 핵은 이보다 더 작은 입자들로 다시 이루어져 있습니다.

바로 양성자와 중성자인데요. 이들이 서로 뭉쳐져 원자의 핵을 이루게 됩니다.

그런데 여기서 끝이 아닙니다. 양성자와 중성자도 더 작은 입자들로 이루어져 있죠.

양성자와 중성자는 각각 3개의 쿼크와 이들을 묶고 있는 글루온으로 이루어져 있습니다.

이렇게 쿼크는 물질의 가장 근본적인 입자로서, 총 6개의 종류가 존재하고 있습니다.

업(위), 다운(아래), 바텀(바닥), 탑(꼭대기), 스트레인지(기묘) 그리고 참(맵시) 쿼크입니다.

양성자는 업 쿼크 두 개와 다운 쿼크 한 개, 중성자는 업 쿼크 한 개와 다운 쿼크 2개를 각각 가지고 있죠.

그런데 어쩌면 양성자에는 업 쿼크와 다운 쿼크 이외에도 또 다른 쿼크가 존재할 가능성이 있습니다.

최근에 이루어진 양성자의 충돌 실험에서, 예상치 않은 쿼크가 갑자기 튀어나왔기 때문인데요.

이 쿼크의 정체는 바로 참(맵시) 쿼크였으며, 반복적으로 나타나고 있었습니다.

다만, 이 참 쿼크가 양성자 안에서 나온건지, 아니면 충돌의 영향으로 만들어진 것인지는 알 수가 없었죠.

그래서 과학자들은 그동안 진행되었던 약 50만 건의 양성자 충돌 실험 결과를 분석해 봤습니다.

그 결과, 참 쿼크가 양성자에서 튀어나왔을 가능성이 매우 높은 것으로 확인되었습니다.

이번의 분석 결과가 잘못 되었을 가능성은 고작 0.3%에 불과했죠.

그런데 뭔가 이상한 점이 하나 있습니다.

사실 참 쿼크 1개의 무게는 양성자 자체의 무게를 훨씬 넘어섭니다.

양성자의 질량은 약 9억 4천만 전자볼트이며, 참 쿼크의 질량은 약 15억 전자볼트에 이르죠.

양성자보다 더 무거운 입자가 그 안에 들어있는데, 양성자의 질량이 절반 밖에 안된다는 겁니다.

예를 들면, 1kg의 상자 안에 1.5kg의 물건이 들어 있는데, 상자의 무게가 1kg이라는 겁니다.

매우 모순된 이야기로, 물리학적으로 절대로 일어날 수 없는 상황이라고 할 수 있죠.

하지만 양자역학의 세계에서 입자는 확률적으로 존재하기 때문에 이 모순을 피할 수 있습니다.

양자역학에서의 입자는 관측이 될 때까지 명확한 상태로 존재하지 않기 때문인데요.

쉽게 말해서, 관찰자가 관측을 했을 때 비로소 입자의 상태가 결정이 된다는 겁니다.

즉, 양성자를 구성하고 있는 업 쿼크와 다운 쿼크를 비롯해서 참 쿼크도 확률적으로 관측된다는 거죠.

그래서 관측되기 이전, 즉, 존재가 불확실한 상태에서 단순히 질량을 더하는 것은 의미가 없습니다.

앞에서 양성자에는 두 개의 업 쿼크와 한 개의 다운 쿼크가 존재한다고 설명 했는데요.

그 이유는, 업 쿼크와 다운 쿼크가 양성자의 충돌 실험에서 일정 확률로 계속 관측되었기 때문입니다.

만약 참 쿼크도 이렇게 계속 관측된다면, 양성자에 참 쿼크가 존재하는 것으로 결론내릴 수 있습니다.

양자역학의 세계에서는 모든 것이 불확실하기 때문에, 관측될 확률이 높다는 것은 아주 중요한 근거가 됩니다.

그리고 과학자들이 계산한 양성자에 참 쿼크가 존재하고 있을 확률이 99.7%였다는 거죠.

그럼에도 불구하고 아직은 완전히 입증되었다는 표현을 사용할 수는 없습니다.

지금의 단계에서는, 그럴 가능성이 있어 보인다라는 다소 억제된 표현을 사용할 단계라고 할 수 있는데요.

물리학에서 입증되었다라는 표현을 사용하려면 99.9999%의 확률이 되어야하기 때문입니다.

이제 과학자들은 최종 결론을 내리기 위한 마지막 단계를 남겨 놓고 있습니다.

만약 참 쿼크가 존재한다고 결론 내려지게 되면, 세상의 모든 과학 교과서는 바뀌게 될 겁니다.

원본 영상

원자의 핵에서 새로운 입자가 발견되었다! 교과서가 바뀔지도 모른다! 신박과학

원자핵에 대한 최신 과학 이론 근황 3줄 요약

1. 양성자는 원래 업쿼크 2개와 다운쿼크 1개로 이루어진줄 알았는데
2. 확률적으로 그보다 1.5배 무거운 참 쿼크가 나온다고 한다.
3. 기존 과학에서 생각하던 양성자의 구성 요소가 달라지고 있다.

• 야릇한 쿼크 : 이상하게(strange) 업/다운 쿼크보다 붕괴되지 않고 오래살아남는다 하여 스트레인지(기묘) 쿼크.
• 참 쿼크 : 참 쿼크의 존재를 가정하고 구축한 이론이 보기 좋아서 정말 있으면 매력(charm)적이라 해서 참 쿼크.

누가 이해 가게 설명 좀...

• 원자 이하의 아주 작은 세계에서는 발견해서 궁둥짝을 걷어차기전까지 자기 성질을 내보이지 않는 말년병장스런 물질들이 존재한다는 거
• 그니깐 1kg 상자 안에 1.5kg 볼링공이 들어있는데 이 볼링공은 있을수도있고 없을수도 있어서 ㅅ새끼라는거지?
• 양자역학이라 다른게 아니라 결합에너지로 인해서 핵자 스케일만 가도 각각입자의 질량의 합 = 핵자의 질량이 아닙니다. 분자단위의 전자결합에서도 결합에너지가 있긴하지만 이 에너지가 너무 작아서 따질 필요가 거의 없지만 핵자단위의 결합에서는 이 에너지가 상당히 커집니다. 핵자보다 작은 스케일에서는 이 결합에너지가 더 커지게 되는데 영상에선 그런 걸 고려하지 않고 그냥 "양자역학 오오 신기한 양자역학" 이런식으로 넘어가니까 이상한 결론이 나온겁니다. 양성자만 해도 uud 업쿼크 2개 다운쿼크 한개 인데 각각의 질량이 업쿼크 약 2 MeV/c^2, 다운쿼크 약 5 MeV/c^2 입니다. 양성자는 대충 1 GeV/c^2 입자물리 겉할기로 배워도 쿼크 각각의 질량의 합이 양성자의 질량의 합과 다르다는거는 기본적으로 알고 있습니다.

해당 저널 원본

양성자 내 내재적 매력 쿼크에 대한 증거 - 네이처

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