안개상자와 입자의 궤적
<양자역학을 어떻게 이해할까?>234-236쪽에는 "안개상자에 보이는 입자의 운동 궤도"에 대한 논의가 있습니다. 이와 관련된 이미지를 몇 개 올려 둡니다.
[그림 출처: https://www.thoughtco.com/ ]
이런 그림이 많이 퍼져 있습니다. 기본입자가 아주 작지만 이렇게 궤적을 그리며 움직이는 것을 볼 수 있고, 그것을 사진으로 찍을 수도 있으니, 양자역학에서 궤적이 없다고 말하는 게 이해가 안 될 수도 있습니다.
이런 입자궤적 사진 중 유명한 것이 1964년에 발표된 $\Omega^{-}$ 입자의 발견일 것입니다.
- V. E. Barnes et al. (1964). "Observation of a Hyperon with Strangeness Minus Three". Physical Review Letters. 12 (8): 204-206. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.12.204
[그림 출처: https://www.sciencephoto.com/media/1303/view/first-observation-of-omega-minus-particle ]
이 사진에는 선과 곡선이 마치 손으로 그린 것처럼 나와 있습니다. 이를 분석하면 아래와 같습니다.
[그림 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Omega_baryon ]
이 그림에서 주황색 동그라미로 표시된 부분이 바로 $\Omega^{-}$라는 입자의 증거입니다. 머레이 겔만과 조지 츠바이크가 제안한 쿼크 모형에 따르면 s쿼크로 세 개로 이루어진 중입자가 있어야 하는데, 그 입자는 K 중간자가 붕괴할 때 중간 단계에 있게 됩니다. 아래의 그림에서 볼 수 있습니다.
[출처: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.12.204 ]
이 발견 덕분에 쿼크 이론이 실험적으로 입증되었고 머레이 겔만은 노벨물리학상을 수상하게 되었습니다.
그런데 이렇게 멋진 그림이 나오기까지는 실상 아주 힘든 과정을 거쳐야 했습니다.
[$\Omega^{-}$를 검출한 브루크헤이븐 연구소의 실험팀. 사진 출처: https://media.sciencephoto.com/]
이 연구팀이 사용한 것은 거품상자(bubble chamber)로서 영국의 물리학자 C.T.R. 윌슨(Charles Thomson Rees Wilson 1869–1959)이 1900년대 초에 만든 안개상자를 개량한 것입니다. 윌슨은 이 작은 장치 덕분에 1927년 노벨물리학상을 받았습니다.
[윌슨의 안개상자. 캐븐디시 연구소. 출처: http://www.cloudylabs.fr/wp/expansion_cloud/ ]
이 작은 장치를 통해 눈으로 결코 볼 수 없는 것이 움직이는 궤적을 볼 수 있게 되었으니, 윌슨의 과학사적 공로는 실로 엄청난 것이었습니다.
이 중 확산 안개상자의 작동원리를 아래 그림으로 볼 수 있습니다.
[출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_chamber ]
이 상자 안에는 과포화된 알콜(메타놀이나 이소프로파놀) 증기가 가득 차 있습니다. 전기를 띤 입자가 지나가면 상자안에 있는 기체원자가 이온화되는데, 알콜 분자의 극성 때문에 상자 안에 있던 알콜 분자가 이 이온화된 기체원자에 달라붙으면서 응결됩니다. 이 응결된 알콜 증기는 눈으로 보거나 사진으로 찍을 수 있을 만큼 분명한 궤적을 남깁니다.(https://weirdscience.eu 참조)
실제의 실험은 훨씬 복잡하고 어렵습니다. 아래 링크에 있는 영상을 보면, 안개상자나 거품상자로 입자의 궤적을 보는 것이 얼마나 힘든지 짐작할 수 있을 것입니다.
- 11 min of Cosmic Ray in a Cloud Chamber (altitude 2877 m) " target="_blank" rel="noopener">
이와 같은 안개상자의 궤적을 양자역학으로 어떻게 이해할 수 있을까요?
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