[큰글자책] 세상에서 가장 쉬운 과학 수업 : 쿼크모형 - 입자가속기의 발명부터 쿼크의 발견까지

<노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학> 시리즈 20번째 책. 입자가속기의 발명부터 쿼크의 발견까지, 쿼크모형의 개념과 역사를 수많은 과학 교양서를 집필한 정완상 교수의 필력으로 흥미롭게 살펴본다. 쿼크 이론의 등장 과정을 여섯 편의 논문(로런스, 나카노-니시지마, 사카타, 겔만, 릭터, 팅)과 함께 다루었다.



20세기 중반 물리학자들은 원자와 원자핵을 넘어서 그 안의 더 작은 세계로 눈을 돌렸다. 이 책에서는 뮤온과 타우 입자 같은 경입자, 양성자와 중성자 같은 중입자, 파이온과 케이온 같은 중간자 발견의 역사도 이야기했다. 케이온과 함께 도입된 기묘도라는 양자수를 설명했고, 여기에 초전하, 아이소스핀을 리군과 리대수로 묘사했다.



더불어 1964년 등장하는 겔만의 쿼크모형과 이 모형이 예측한 오메가 입자의 발견을 다룬다. 하나의 입자로 여겨졌던 양성자와 중성자가 더 작은 기본 입자인 쿼크로 구성되어 있다는 것을 소개한다. 겔만이 도입한 u, d, s쿼크와 그 이후에 예언된 참 쿼크, 보텀 쿼크, 톱 쿼크의 발견도 곁들였다. 이 책은 그 작은 입자들의 세계 속에서 인류가 어떻게 숨겨진 질서를 발견해 왔는지를 따라가는 이야기다. 부록에 논문 영문본과 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 독자들의 더 깊은 탐구를 도왔다.



★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업

★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상자 논문 영문본 수록

★ 박문호의 자연과학 세상 특강 선정도서



우주를 구성하는 단위는

우리가 생각한 것보다 훨씬 더 단순하고 아름답다



현재 교육과정에서 쿼크라는 용어는 고등학교 1학년 통합과학에 처음 등장한다. 원자핵의 구성 요소인 양성자와 중성자. 그것을 이루는 더 작은 기본 입자인 쿼크. 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 쿼크모형》은 낯설기만 한 이 ‘쿼크’의 세계를 집중적으로 탐구한다.

가장 먼저 새로운 입자들이 쏟아져 나오게 한 입자가속기의 발명과 그 역사를 살펴보았다. 입자의 성질을 설명하는 데 필요한 군과 대수의 기본 개념도 소개했다. 이어서 여러 새로운 입자들이 어떻게 발견되었는지 그 일화와 각 입자의 특징도 다루었다. 쿼크모형이 나오기까지 밑거름이 된 이론을 비롯하여 쿼크모형의 창시자 겔만과 그의 이론, 그가 예측한 새로운 입자도 알아보았다. 나아가 다른 학자들을 통해 쿼크모형이 어떻게 진화했는지, 여러 가지 연구와 실험의 발전 과정을 소개했다.

이 책을 통해 쿼크라는 기본 벽돌로 지어진 입자라는 구조물을 더 흥미롭게 탐구할 수 있을 것이다.



보이지 않는 것을 믿는 인간 이성의 힘

그 믿음을 수식과 실험으로 증명해 내는 과학의 승리



1960년대 초, 입자물리학은 혼란 그 자체였다. 가속기에서 쏟아지는 수많은 새로운 입자는 마치 ‘입자 동물원’ 같았다. 그때 한 사람의 눈에만 이 혼란 속에서 질서가 보였다. 숫자와 패턴, 대칭을 사랑한 이론물리학자 머리 겔만(Murray Gell-Mann). 1964년 겔만은 세상을 놀라게 할 짧은 논문을 발표했다.

“이 모든 복잡한 입자들은, 사실 더 작은 단위인 쿼크(quark) 세 개로 이루어져 있을 수 있다.”

수십 년이 지난 뒤 우리는 실험으로 겔만의 예측이 옳았음을 확인했다. 겔만의 쿼크모형은 현대 입자물리학의 토대인 표준모형의 뼈대를 이룬다.

이 책은 쿼크모형의 역사, 수학적 구조, 철학적 의미, 그리고 겔만 교수의 삶을 따라가는 여정이다. 쿼크는 단순한 물리학 이론이 아니다. 보이지 않는 것을 믿는 인간 이성의 힘, 그 믿음을 수식과 실험으로 증명해 내는 과학의 승리를 상징한다. 과연 보이지 않는 입자들로 이루어진 우리 세계는 무엇으로부터 시작된 것일까? 이 책은 겔만이 꾼 그 상상의 꿈을 소개한다.



청소년과 일반 독자의 과학 수준을 높여

노벨 과학상 수상자가 매년 나오기를 바라며



2025년 11월 27일 새벽, 우리 기업이 우리 기술로 만든 한국형 발사체 누리호의 4차 발사가 성공적으로 이루어졌다. 세계에 대한민국의 과학기술력이 얼마나 성장했는지, 앞으로 어떻게 발전해 나갈지 보여주는 유의미한 성과라 하겠다.

이 책에는 머리 겔만을 비롯하여 톰슨, 로런스, 파울리, 유카와 히데키, 양전닝, 슈윙거 등 입자물리학의 발전에 지대한 공헌을 한 수많은 노벨상 수상자가 등장한다. 특별히 대한민국 출신의 세계적인 과학자 한무영 교수와 이휘소 교수의 업적도 다루었다. 여러 과학자의 연구 내용과 일화를 엿보며, 위대한 이론은 어느 한 사람의 노력으로 이루어지지 않았음을 깨달을 수 있다.

우리나라는 아직 노벨 과학상 수상자가 한 명도 없다. 이제 청소년과 일반 독자의 과학 수준을 높여 노벨 과학상 수상자가 매년 나오기를 바라는 저자의 마음을 이 책에 담았다. 과학 강국으로 도약하는 대한민국, 더불어 노벨 과학상 수상의 꿈을 이 책의 독자들이 함께 이루어 나가길 기대한다.