2-3. W·Z 보손 — 약한 핵력의 매개, 방사성 붕괴의 원인

입자를 변신시키는 힘

세상에서 가장 느린 반응이 없다면

태양이 빛나는 이유를 한마디로 말하면 핵융합 — 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵이 되면서 에너지를 방출하는 과정 — 이다. 그런데 태양 핵융합의 첫 번째 단계에는 믿기 어려울 만큼 느린 반응이 숨어 있다.

두 양성자가 충돌하여 중수소 원자핵(양성자 1개 + 중성자 1개)을 만드는 반응이 그것이다. 이 반응이 일어나려면 양성자 하나가 중성자로 변해야 한다. 양성자는 위 쿼크 2개와 아래 쿼크 1개(uud)로 이루어져 있고, 중성자는 위 쿼크 1개와 아래 쿼크 2개(udd)로 이루어져 있다. 따라서 양성자가 중성자가 되려면, 위 쿼크 하나가 아래 쿼크로 변해야 한다.

이 "변신"이 얼마나 드물게 일어나는지를 보여주는 숫자가 있다. 태양 중심에 있는 양성자 하나가 이 반응을 겪기까지 걸리는 평균 시간은 약 100억 년이다. 태양의 나이(약 46억 년)보다도 긴 시간이다!

이 반응이 이토록 느린 이유는 전자기력도 아니고, 강한 핵력도 아닌, 제3의 힘이 관여하기 때문이다. 그 힘은 너무나 약해서 "약한 핵력"(weak nuclear force)이라는 이름이 붙었다. 하지만 이 "약한" 힘이 없었다면, 태양은 빛나지 못하고, 방사성 붕괴는 일어나지 않으며, 빅뱅 직후에 현재의 물질이 만들어지는 과정도 불가능했을 것이다.

이전 두 절에서 우리는 전자기력의 전달자 광자(질량 0, 전하 없음)와 강한 핵력의 전달자 글루온(질량 0, 색전하 있음)을 만났다. 이제 세 번째 힘의 전달자를 만날 차례다. 약한 핵력을 매개하는 입자는 W 보손과 Z 보손인데, 이들은 앞의 두 전달자와는 완전히 다른 점이 하나 있다. 바로 어마어마하게 무겁다는 것이다.

핵심 질문: "쿼크를 다른 종류의 쿼크로 변신시키는 힘은 무엇이며, 왜 그 힘은 이토록 약한 것처럼 보이는가?"