힉스, 신의 입자 속으로

【 힉스, 신의 입자 속으로 】 : 무엇으로 세상은 이루어져 있는가 _짐 배것 저/박병철 역 | 김영사 원서 : Higgs: The invention and discovery of the God Particle’ ​“이 세상은 무엇으로 이루어져 있는가?” 1.이 세상은 무엇으로 이루어져 있을까? 밑도 끝도 없는 질문이다. 인류가 논리적인 사고를 하기 시작한 이후, 이와 같은 질문들 속에서 철학이 태동하고 과학이 발전되었으리라 생각한다. 2.“이 세상에 존재하는 모든 물질에 궁극적인 최소단위가 존재하며, 그로부터 만물이 만들어진다.”는 주장은 매우 논리적으로 생각되지만, 물질을 무한정 분해할 수 있다면 결국 무한히 작은 점까지 분해되고, 점은 크기가 없으므로 모든 만물은 ‘분해’라는 과정을 거쳐 무(無)로 사라지는 것이 아닐까 3.그렇다면 이 세상은 존재자체가 모호하고 정의할 수도 없는 것이 되고 만다. 현대물리학은 이 유령이 실제로 존재한다는 것을 입증했다. 알고 보니 질량은 물질의 최소단위에 내재되어있는 근본적 특성이 아니었던 것이다. 사실 질량이라는 것은 애초부터 존재하지 않았다. 모든 입자는 ‘질량이 없는 어떤 소립자’와 상호작용을 교환하고(힘을 주고받고)있는데, 이 과정에서 발생한 에너지가 ‘질량’이라는 결과로 나타난 것뿐이었다. 이 가설이 처음 대두되었을 때 물리학계는 찬반 두 진영으로 양분되었고, 수십 년이 지나도록 아무런 결론도 내리지 못했다. 4.과학자들은 확장된 우주 그리고 지구에 대한 인간의 끝없는 궁금증인 입자와 그들 사이의 힘을 ‘표준모형’이라는 이론으로 설명했다. 하지만 시간이 지나면서 과학자들은 입자물리학의 성전인 표준모형조차 결국엔 심각한 결함을 갖고 탄생한 이론임을 인지하게 된다. 이 오류를 해결하는 방법은 오직 단 하나, 힉스입자를 직접 발견하는 것뿐이었다. 그러나 피터 힉스와 프랑수아 앙글레르 등 물리학자들이 힉스가 존재한다는 가설을 제안한 지 40년이 넘도록 힉스입자는 발견되지 않았다. 그 후 2012년 7월 4일에 개최된 학회에서 CERN(유럽원자핵공동연구소)의 물리학자들은 힉스입자에 ‘부합되는’ 입자가 발견되었음을 선언했고, 2013년 10월 4일 힉스입자의 발견을 공식적으로 선포하였다. 표준모형을 뛰어넘어 새로운 물리학의 세계로 인류를 인도한 것이다. 5. 그동안 힉스보존(Higgs boson)을 위한 연구비는 수 조원이 들었다고 한다. 나라마다 과학정책에 대한 입장(주로 재정적 지원)이 각기 다르다. 1993년 5월. 영국 정부는 향후 과학정책이 갈 길을 제시하는 백서를 발표한다. “과학의 목적이란 ‘부’를 창출하고 영국인의 삶의 질을 향상시키는 것”에 둔다고 명시했다. 다분히 ‘힉스’ 연구팀을 의식한 것이기도 했다. 영국의 과학부 장관 윌리엄 월드그레이브는 “당신들(과학자들)중 누군가가 종이 한 장 분량의 평범한 영어로 나를 설득시킨다면, 재정확보는 물론이고 내가 제일 아끼는 빈티지 샴페인을 선물로 주겠다.”고 했다. 6.정치인들에겐 특히 더 쉬운 설명이 필요했을 것이다. 가장 산뜻한 설명을 준 사람은 영국 유니버시티 칼리지런던의 입자물리학 교수인 데이비드 밀러였다. 마거릿 대처가 이야기의 주인공이다. “한 호텔의 넓은 홀에서 정치인들을 위한 칵테일파티가 열렸다. 참석자들은 서로 여유 있게 홀 이곳저곳에서 담소를 나누고 있다. 그런데 어느 순간, 영국의 총리를 지냈던 대처 여사가 파티 장에 도착했다. 사람들은 대처와 한 마디라도 대화를 나누고 싶어 그녀 곁으로 모여든다. 대처 여사는 앞으로 나아가기가 힘들 정도다. 대처가 지나간 자리는 이미 대화를 나눈 사람들이 대부분인지라 원래 분위기로 돌아간다. 그러나 그녀가 가는 길에는 항상 사람들이 모여 있기 때문에, 질량이 커지는 효과가 있다. 즉 혼자 걸어갈 때와 같은 속도로 걷는다 해도 더 큰 운동량을 갖게 된다.” 기본입자(마거릿 대처)는 원래 질량 없이 태어났지만, 힉스장(홀 안에 균일하게 흩어져있는 정치인들)과 상호작용을 교환하면서 질량을 획득하게 된다. 이것이 힉스 메커니즘이다. 7.‘힉스보존(Higgs boson)’은? 밀러는 힉스장이 한 곳에 뭉치면서 나타난 입자가 힉스보존이라고 설명했다. 따라서 힉스장이 정말로 존재하는지, 그리고 다른 입자에 질량을 부여하는 메커니즘이 실제로 일어나고 있는지 확인하려면 힉스입자를 직접 발견하는 수밖에 없다고 강조했다. 아무튼 밀러 교수 덕분에 영국 정부는 재정적으로 어려운 상황에도 불구하고 계속 연구지원을 하게 되고, 그는 프랑스산 최고급 샴페인 뵈브 클리코까지 챙겼다. 피터 힉스와 프랑수아 앙글레로는 힉스의 존재를 예견하고, 힉스 메커니즘을 개발한 공으로 2013년 노벨 물리학상을 수상했다. 8.이 책을 통해 힉스가 무엇이고, 어떻게 발견되었는지를 넘어서서 기초과학자들의 헌신과 노력을 물론 연구 과정 중 발생하는 회의감과 좌절감등을 엿볼 수 있다. 신의 입자라고도 부르는 ‘힉스’. 힉스입자가 없다면 우주에는 아무것도 존재하지 않았을 것이라고 하니, 힉스에 대해 관심을 가져보는 것도 의미가 있겠다. 과학교양서적으로 추천할 만한 책이다. #힉스 #신의입자속으로 #무엇으로세상은이루어져있는가 #짐배것 #김영사
힉스 입자가 없다면 우주에는 아무것도 존재하지 않았을 것이다!
21세기 최대 과학혁명인 힉스의 발견이 우주 만물의 비밀을 밝혀내다!

2012년 7월 4일, 스위스의 제네바에 있는 유럽원자핵공동연구소 CERN으로부터 천지가 개벽할 만한 뉴스가 날아들었다. 가설 속에 존재하던 입자 힉스가 수조 원의 막대한 비용을 들인 끝에 48년 만에 마침내 발견되었다는 것이다. 이 뉴스는 각종 언론 매체의 헤드라인을 장식하며, 삽시간에 전 세계로 퍼져나갔다. 왜 이렇게 야단법석인가? 힉스는 대체 무엇이며, 왜 그렇게 중요하게 취급되는 것인가? 그것은 과연 엄청난 비용과 시간을 들일 만큼 가치 있는 것이었는가? 힉스의 발견이 우주 만물의 형태와 본질을 파악하는 데 단서를 제공할 것인가?

힉스, 신의 입자 속으로 는 인류의 영원한 수수께끼로 남을 뻔했던 ‘힉스입자’의 발명과 발견의 연대기를 담은 역작이다. 과학 커뮤니케이터란 독특한 이력으로 과학을 일반인에게 쉽고 재미있게 전달하며 과학의 대중화에 앞장서온 저자 짐 배것은 이 책에서 우리가 왜 힉스의 발견에 주목해야 하는지, 힉스는 왜 발견되어야만 했는지, 수많은 과학자들과 실험가들이 힉스에 대한 궁금증을 해결하기 위해 얼마나 피나는 노력을 해왔는지 등의 이야기를 한편의 소설처럼 쉽고 재미있게 풀어냈다. 무엇보다 물리학 전반에 대한 저자의 폭넓은 식견과 재치 넘치는 스토리텔링은 물리학이 어렵고 따분하다고 생각했던 일반 독자들에게 물리학의 발전 과정을 한눈에 들여다보는 재미를 느끼게 해줄 것이다. 짐 배것의 탁월한 통찰과 과학에 대한 학문적 열정이 빛나는 이 책은 힉스가 발명되고 발견되기까지의 과정과 그 순간순간들 뒤에 숨은 과학 이야기 속으로 우리를 안내한다.


책머리에
서문
프롤로그 : 형태와 본질
PART 1 발명
1. 논리적 사고
- 독일의 수학자 에미 뇌터, 자연의 대칭과 보존법칙 사이의 심오한 관계를 발견하다

2. 궁색한 변명
- 전닝 양과 로버트 밀스가 강한 핵력을 서술하는 양자장이론을 구축하여 볼프강 파울리의 심기를 불편하게 만들다.

3. 아무도 이해하지 못한 이론
- 머리 겔만이 기묘도와 팔정도를 발견하고 셸던 글래쇼가 양-밀스 장이론을 약한 핵력에 적용했으나 학계의 관심을 끌지 못하다.

4. 옳은 아이디어를 틀린 문제에 적용하다
- 머리 겔만과 조지 츠바이크가 쿼크의 개념을 도입하고, 스티븐 와인버그와 압두스 살람이 힉스 메커니즘을 이용하여 W입자와 Z입자에 질량을 부여하다.

5. 제가 할 수 있습니다
- 헤라르뒤스 토프트가 양-밀스 장이론의 재규격화 가능성을 증명하고, 머리 겔만과 하랄트 프리치가 쿼크의 색에 기초한 강력이론을 개발하다.

PART 2 발견
6. 교류중성흐름
- 양성자와 중성자의 내부구조가 밝혀지고, 약전자기이론에서 예견되었던 약중성흐름이 발견된 직후 취소되었다가 다시 극적으로 발견되다.

7. 그건 W입자가 확실해!
- 양자색역학이 체계를 갖추고 이론에서 예견된 W입자와 Z입자, 그리고 맵시쿼크가 발견되다.

8. 완전한 몰입
- 로널드 레이건 대통령이 초전도 초충돌기 제작에 힘을 실어주었으나, 6년 후 미국의회가 프로젝트를 철회하다. 그 결과 텍사스주에는 커다란 구멍만 남게 되다.

9. 환상적인 순간
- 힉스보존의 물리학적 의미를 영국 정치인들이 알아들을 수 있는 언어로 설명하다. CERN에서는 힉스입자의 흔적이 발견되고, LHC가 드디어 가동에 들어갔다가 심각한 고장을 일으키다.

10. 셰익스피어의 질문
- LHC가 모든 사람들(린던 에번스는 제외!)의 기대 이상으로 막강한 위력을 발휘하여 1년 치 데이터를 몇 달 만에 만들어내고, 힉스입자는 숨을 자리를 잃다.

에필로그 : 질량의 해석
맺음말
옮긴이의 글
미주
용어해설
참고문헌
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