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1920년에 러더퍼드가 양성자를 처음 명명했을 때 이미 원자에는 전자기력 외의 힘이 작용한다는 사실이 명백했다. 양성자들 사이의 전기적 척력을 극복하고 양성자들을 서로 묶어 둘 수 있는 무엇인가 강한 힘이 작용하고 있어야만 했다. 1932년 중성자의 발견으로 이러한 강한 힘이 작용하는 입자는 둘로 늘었다. 같은 해 W. 하이젠베르크는 강한 힘을 설명하기 위하여 양자 전기역학과 유사한 이론을 제안했다. 양성자와 중성자가 거의 같은 질량을 갖고 있다는 것을 주시한 하이젠베르크는 두 입자는 근본적으로 같은 입자로서 차이점은 단지 전하의 유무일 뿐이며 양성자와 중성자는 전하를 띤 어떤 입자를 서로 주고 받음으로써 양성자는 중성자로, 중성자는 양성자로 변환할 수 있다고 했다.

1935년 유가와 히데키[湯川秀樹]는 핵력을 설명하기 위하여 새로운 입자의 존재를 제안함으로써 입자물리학의 새로운 장을 열었다. 유가와는 새로운 입자는 양성자와 중성자를 10^－14m 안에 묶어두는 핵력을 전달하기 위해서는 불확정성 원리에 따라 전자 질량의 약 200배, 즉 100MeV의 질량을 갖고 있어야 한다고 예측했으며 양성자와 전자의 질량의 중간쯤의 질량을 갖는 이 입자를 중간자라고 명명했다. 1937년 칼 D. 앤더슨과 S. 네더마이어는 양전자에 이은 2번째 새로운 입자를 우주선으로부터 발견했다. 유가와가 예측한 질량을 갖는 이 입자의 발견으로 유가와의 이론은 확증된 듯했다. 그러나 곧 이 새로운 입자는 쉽게 물질에 투과되는 성질이 있음이 밝혀졌고 이 때문에 우주선 관측에서 발견된 새로운 입자를 핵력을 전달하는 입자로 보기는 어려웠다. 이 문제점을 해결하기 위하여 이론 물리학자들은 2가지의 중간자가 있어서 유가와의 핵 중간자는 물질에 쉽게 투과되는 중간자로 붕괴된다는 이론을 제안했다. 1947년 영국 브리스틀대학교의 물리학자들은 전하를 띤 입자들의 궤적을 기록할 수 있는 필름 장치를 장착해놓은 우주선 관측에서 처음으로 무거운 중간자가 가벼운 중간자로 붕괴한다는 것을 관측했다. 좀더 무거운 중간자를 중간자 또는 파이온이라고 했고 좀더 가벼운 중간자를 뮤온이라고 했다. 파이온은 유가와가 예측한 바로 그 중간자이나, 뮤온은 후에 밝혀졌듯이 쿼크와 반쿼크로 이루어진 중간자가 아니라 전자와 같이 경입자 군에 속하는 입자라는 사실이 밝혀졌다.

1938년 니콜러스 케머는 파이온에는 양전하·음전하·중성의 3가지가 존재함을 예측하고 양성자와 양성자 사이, 또는 중성자와 중성자 사이의 핵력은 양성자와 중성자 사이의 핵력과 같은 것이라고 제안했다. 케머의 제안은 양성자수와 중성자수의 합이 같은 원자핵들이 유사한 성질을 갖는다는 사실에서 핵력은 양성자와 중성자를 구별하지 않는다고 한 1932년 하이젠베르크의 제안과 부합되는 것이다. 핵력의 이러한 성질은 일종의 대칭성으로 해결될 수 있으며 스핀을 기술하는 수학적 공식을 사용함으로써 체계적으로 설명될 수 있음이 알려지게 되었다. 여기서 가상적인 스핀을 하전 스핀(iso-spin)이라 하고 그 대칭을 하전 스핀 대칭이라고 한다. 스핀 1/2인 전자가 두 구성원을 갖듯이 양성자와 중성자를 하전 스핀 1/2인 입자의 두 구성 성분으로 기술하고 3가지 파이온들은 하나로 묶어서 하전 스핀 1인 입자의 세 구성성분으로 기술한다. 하전 스핀 대칭은 강한 핵력에 의한 핵상호작용을 이해하는 데 매우 중요하다.

1947년의 파이온의 발견은 입자물리학에 질서를 주는 듯했으나 오래가지는 못했다. 같은 해 우주선을 연구하던 클리퍼드 버틀러와 조지 로체스터는 새로운 종류의 입자들을 발견했다. 새로운 입자들은 전자 질량의 약 800배 정도여서 파이온보다는 무겁고 양성자보다는 가벼웠다. 그후 수년 동안 이러한 종류의 여러 입자들이 발견되었다. 그들 중에는 양성자보다 무거운 것도 있었다. 이 실험적 사실은 새로운 입자들은 핵물질의 강작용으로 생성되나 꽤 오랫동안 물질과 상호작용하지 않고 존재한다는 것을 시사한다. 이러한 새로운 입자들의 '기묘한' 성질을 설명하기 위하여 M. 겔만과 니시지마[西鳥]는 새로운 보존법칙을 제안했다. 그들은 기묘한 입자들은 정수의 기묘도라는 양자수를 가지며 이는 강한 핵작용에서 보존된다고 했다(→ 스트레인지니스).

기묘도는 질량, 전하, 스핀, 하전 스핀과 함께 작용하는 입자들, 즉 강입자들을 체계적으로 분류하고 그들 사이의 계층적 관계를 정립하는 유용한 도구로서의 역할을 한다. 이를 바탕으로 1962년 겔만과 유발 네만은 그때까지 알려진 강입자들을 SU(3)라는 수학적 대칭에 따라 체계적으로 분류하고 8정도를 주창했다. 그들은 SU(3) 대칭이 8개의 구성원 또는 10개의 구성원을 한조로 하는 8중항(octet)·10중항(decouplet)을 기본 다중항으로 갖는다는 것을 주목하고 강입자들이 이에 따라 몇 개의 군으로 묶일 수 있음을 발견했다. 예를 들면 스핀 1/2인 양성자·중성자는 스핀 1/2인 중간자들로 이루어진 8중항에 속하고 파이온들은 스핀 0인 중간자들이 이루는 또다른 8중항에 속한다.

그러나 8정도는 그 유용성에도 불구하고 SU(3) 대칭이 성립하는 이유를 설명하지는 못했다. 1964년에 겔만과 게오르크 츠바이크는 그 해답은 강입자들의 본질에서 찾을 수 있다고 지적했다. 두 이론 물리학자는 SU(3) 군이 3개의 구성성분을 갖는 3중항을 가장 기본적인 다중항으로 갖고 8중항과 10중항은 3중항으로부터 구성될 수 있다는 사실에 기초하여 강입자들은 단순 구조의 기본입자가 아니라 3개의 기본입자로 구성된 복합체라는 과감한 제안을 했다. 겔만은 이 기본 구성소들을 쿼크라고 불렀다. 그당시까지 발견된 수십 개에 이르는 강입자들이 단지 3개의 기본 구성소만으로 이해될 수 있다는 것은 실로 대단한 일이었다.

쿼크가 제안된 지 10년 후인 1970년대초에 쿼크들은 존재하나 강입자 내에 속박되어 있고 개별적으로는 강입자 밖으로 나갈 수 없다는 것을 입증하는 많은 실험적 결과들을 얻게 되었다. 기본적인 3개의 쿼크는 u(up[위])쿼크, d(down[아래])쿼크, s(strange[기묘])쿼크로 명명하고 쿼크들을 구별하기 위하여 사용하는 위·아래·기묘 등을 쿼크의 향(flavour)이라고 한다. 그후에 발견된 많은 무거운 강입자들로(중간자와 중입자) 3종류 이상의 쿼크가 존재함이 밝혀졌고 SU(3) 대칭은 이러한 향들(쿼크의 종류) 사이의 좀더 큰 수학적 대칭의 일부분임을 알게 되었다. 현재는 u·d·s 쿼크 외에 c(charm[매혹])쿼크·b(bottom[하층] 또는 beauty[미])쿼크, 그리고 아직 실험적 확증은 없지만 그 존재에 대하여 이론으로부터 강력한 지지를 받는 6번째 쿼크인 t(top[상층] 또는 truth[진리])쿼크가 있음이 알려져 있다. 이 향들은 강한 핵상호작용 과정 중에서 모두 보존된다.

양성자·중성자, 그리고 유가와의 중간자까지도 쿼크들로 이루어져 있다는 사실의 발견은 핵결합력에 대한 사고의 방향을 바꾸어놓았다. 그러나 무엇이 쿼크들을 핵자들 속에 묶어두고 있으며 왜 쿼크들은 핵자 밖에 나와 홀로 존재할 수 없는가에 대한 해답은 얻을 수 없었다. 이러한 문제들의 해답은 색전하(color charge)라는 또다른 쿼크들의 특성에서 찾을 수 있었다. 색전하는 처음에는 파울리의 상호 배타 원리에 의하여 제기된 문제점들을 해결하기 위하여 제안되었다. 이 원리는 쿼크와 같은 페르미온들은 같은 양자상태에 2개 이상 있을 수 없음을 말한다. 따라서 이에 따르면 sss로 이루어진 오메가(Ω^－) 입자는 존재할 수 없어야 한다(→ 오메가 입자). 스핀 1/2인 쿼크들은 주어진 방향으로 ＋1/2h 또는 －1/h의 각 운동량을 갖는 2가지 양자상태에만 있을 수 있어서 Ω^－ 입자의 3개의 s쿼크들이 서로 다른 양자상태에 있기는 불가능하다. 이 모순을 해결하기 위하여 O. 그린버그와 난부 요이치로[南部陽一郞]는 3개의 가능한 상태를 갖는 새로운 쿼크의 특성을 제안했다. 색의 3원색을 본떠서 그 새로운 특성을 색(전하)이라고 했고 그 3종류를 빨강·녹색·파랑 전하로 부르게 되었다.

색을 띤 쿼크들에 대한 양자장론은 양자 전기역학과는 근본적으로 다르다. 중성체를 만드는 데 있어서도 전하의 경우와 같이 같은 종류와 크기, 그러나 서로 반대 부호의 색전하를 띤 두 쿼크들을 묶는 방법 외에도 3원색을 섞어 무색을 만들듯이 서로 다른 색전하를 띤 3개의 쿼크들을 묶는 방법이 있다. 이처럼 쿼크의 색은 전하와 똑같이 취급될 수는 없다. 뿐만 아니라 색전하들 사이에는 SU(3) 게이지 대칭이 성립하므로 쿼크들은 게이지 보손들을 주고 받음으로써 서로 다른 쿼크들로 변환할 수 있다(여기서 이 SU(3) 대칭은 앞에서 언급한 8정도의 SU(3) 대칭과는 구별되어야 한다. 8정도의 SU(3) 대칭은 종대칭 또는 향대칭[flavour symmetry]이라 하고 수학적으로 게이지 대칭과 같은 SU(3) 형태를 취한 것은 우연임). 따라서 중성인 양자 전기역학의 광자와는 달리 SU(3) 게이지 보손들은 그 자신도 색을 띠고 있어야 한다. 이러한 차이점들에도 색에 기초한 장론의 기본 틀은 양전닝[楊振寧]과 로버트 밀스의 노력으로 1960년대말에 만들어졌다. 강한 핵력에 관한 새로운 이론은 양자 전기역학을 본떠서 양자 색역학(quantum chromodynamics/QCD)이라고 했다. QCD에 있어서 게이지 장의 양자는 글루온이라 하고 SU(3) 대칭에 따라 모두 8가지가 있다.