LHC 입자 콘서트

LHC의

입자 콘서트 이옥구 지음

OK미디어

콘서트 개회사 안녕하십니까? 작가 이옥구입니다. 평범한 고등학생으로서 이렇게 책을 쓸 수 있는 기회가 많지 않은데, 먼저 이런 기회를 준 학교에 심심한 감 사의 말씀을 전합니다. 입자물리학자라는 꿈을 꾸게 된지 벌써 4년째입니다. 원래부터 과학자 의 꿈은 있었으나 ‘LHC 현대 물리학의 최전선’이라는 책을 읽고 세상을 구성하는 입자를 찾는 것이 가장 근본적인 학문이라는 생각에 꼭 CERN 에서 일하는 입자 물리학자가 되고 싶다는 생각을 하게 되었습니다. 꿈을 꾸게 된 이후로 아쉬운 것이 있습니다. 입자 물리학에 관한 서적도 많지 않을뿐더러 설령 있다 해도 청소년들이 이해하기 힘든 내용이 대부 분입니다. 필자도 책을 읽으면서 내용을 이해하는 것에 어려움을 느꼈으 며 저와 같은 꿈을 꾸는 학생들을 위한 ‘쉬우면서 읽은 보람이 드는 책’ 이 필요했습니다. 그러던 도중 책을 쓸 수 있는 기회가 생겼고, 망설임 없이 입자 물리학을 주제로 하자는 결심을 하게 되었습니다. 이 책이 저 같은 사람들을 위해 조금의 도움이라도 주었으면 하는 작은 바람입니다. 솔직히 말해서 제가 원하는 입자물리학자은 미래가 보장 되어 있지도 않고 성공을 장담할 수 없는 꿈입니다. 이 책을 쓰면서도 하루에 몇 번 씩 한 가정의 장남으로서 회사에 취직해 돈을 벌어야 하지 않겠냐는 생 각이 듭니다. 그렇지만 이것은 저의 꿈이고 부모님도 저를 응원해 주시 기에 이 길을 계속 갈 것입니다. 만약 이 책을 읽고 계시는 장래에 대한 고민이 있으신 10대 청소년이 있다면, 꼭 부모님들께 말씀드리라고 권하 고 싶습니다. 부모님은 언제나 독자님 편이 되실 것입니다. 먼저 입자 물리학, LHC, CERN등의 단어가 익숙하지 않은 독자들을 위 해 사전설명을 하겠습니다. 앞으로는 작은 지면에 최대한의 내용을 담기 위해 경어체를 사용하지 않을 것입니다. 양해해 주시기 바랍니다.

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‘LHC’는 'Large Hadron Collider'의 약자로 한국어로 번역하면 ‘거 대한 하드론 충돌기’라는 뜻이다. 여기서 ‘하드론’은 입자의 종류를 나타 내는 말로 모두 기본적으로 ‘쿼크’로 구성 되어 있다. 어떤가? 벌써 머리가 지끈 지끈 거리지 않는가? 이처럼 입자 물리학에 대한 배우려면 많은 단어들을 접하게 될 것 이다. 필자도 맨 처음 책을 읽을 때 이런 용어들을 몰라서 많이 힘들었다. 그래서 책을 쓰면서 최대 한으로 용어 풀이를 해 놓았다. 한 가지 충고를 덧붙이자면 꼭 책을 순 서대로 읽을 필요는 없다. 어렵다면 건너뛰어도 된다. 다른 부담 없는 부분들을 읽고 다시 읽으면 그 부분을 이해할 수 있을 것이라고 (그리고 그렇게 만들 것이라고) 필자는 약속한다. 아, 본 내용에 들어가기 전에 한 가지 에피소드를 소개하고자 한다.

2008년 아폴로 달 탐사 40여년 후 스위스 지하 100m부근 첫 번째 빔 이 27km둘레의 튜브를 돌았다. 그리고 그 순간 지구 반대편인 하와이 호놀룰루 법정에서는 초소형 블랙홀이 지구를 삼켜버릴 지도 모른다는 고소장이 접수되었다. 아시아에서는 인도의 한 종교단체에서 수천 명이 구원의 기도를 올렸고, 마디아프라데시 주의 한 16세 소녀는 지구멸망의 공포에 사로잡혀 자살하였다. 이런 행위들은 군중이 과학을 잘 모르고 두려워한다는 증거이다. 사람의 과학지식은 학교에서 배운 것들만이 대 부분이며, 그마저도 새로운 개념이 아닌 3~4년 전의 것들, 그리고 극히 한정적인 내용만을 담고 있다. 그렇게 ‘한정된 과학’을 공부하다 보니 과 학이 싫어지고, 암기 과목이 되는 것이다(적어도 필자는 이렇게 생각한 다). 그러니 사람들과 과학의 격차는 점점 벌어지게 되고 앞에 나온 무 지한 행동을 하게 된다. 그런데 2008년 도대체 무슨 일이 있었기에 이런 난리를 피웠던 걸까?

2008년, 좀 더 정확히 말하면 2008년 9월 10일 CERN의 신형 가속기 LHC가 처음 가동된 날이며 이를 기념하는 대폭발의 날(Big-Bang Day) 라고 불려진다. LHC, CERN이것들은 도대체 무엇일까? 몇 번 들어본

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사람은 많겠지만 정확이 ‘무엇이다’라고 정의 할 수 있는 사람은 별로 없을 것이다. 이 두 개념은 나중에 상세하게 설명해 주겠다 일단 지금 은 CERN이 유럽 과학자들이 모여서 일하는 과학 단체이며, LHC가 CERN에 소속되어 있는 세계 최대의 강입자 가속기이라는 것만 알자. 그렇다면 이제 콘서트를 시작 해 볼까?

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차례 콘서트 개회사 제 1악장 : 포르티시모-굉장히 강하게 1. 우주와 시간의 시작 대폭발 ‘빅뱅’ 2. 별의 일생과 더 무거운 원자의 탄생 ‘초신성 폭발’

제 2악장 : 데 크레센도-점점 작게 1. 치즈를 무한히 자르다 보면? ‘원자’의 발견 2. 휘는 빛 음극선 실험, ‘전자’의 발견 3. 티슈에 반사된 대포알, ‘원자핵’의 발견 4. 스승의 뒤를 이은 ‘중성자’의 발견 5. 찬란한 시절은 끝났다, ‘뮤온’과 ‘메손’의 발견 6. 이건 누가 주문했지?

7. 입자들의 지도와 실마리 8. 양성자도 깨지다 ‘쿼크’의 발견 9. 입자들에게 질량을 부과 하는 ‘힉스’

제 3악장 : 크레센도-점점 크게, 강하게 1. 거품상자와 우주선 2. 선형 가속기 3. 사이클로트론 4. LHC 5. CERN

콘서트 폐회사

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제 1악장 포르티시모 - 굉장히 강하게 1. 우주와 시간의 시작 대폭발 ‘빅뱅’ 공허(空虛). 아무것도 없었다. 심지어는 빛도 시간도 없었던 때 바로 빅뱅이 일어나기 전이다. 그 당시 상황은 현대 과학으로는 아무도 설명할 수 없다. 그러다 갑 자기 우주에서 큰 폭발이 일어났다. 폭발 직후에는 중력, 전자기력, 강 력(강한 상호작용), 약력(약한 상호작용)이 분리되지 않은 상태였다. 잠시 후 네 힘은 각각 분리되어 우주에 작용되었다. 이 4가지 상호작 용을 하나로 통합한 이론이 ‘모든 것의 이론(Theory of Everything ToE)’이다. 이 이론은 추측만 될 뿐 완전한 이론이 아니다. 가장 먼저 분리된 힘은 중력인데 다른 3개 상호작용을 묶어서 ‘통일장 이론’이라 고 한다. 통일장 이론은 최근 거의 증명된 이론으로 모든 것의 이론도 증명될 가능성을 보여준다. 다음으로 분리된 것은 강력이다. 남은 전자 기력과 약력의 집합은 ‘전약력’ 이라는 이름으로 증명 되었다. 마지막 으로 약력과 전자기력이 분리되면서 4가지 상호작용이 발생하는 지금 에 이르게 되었다(전자기력은 한때 전기력과 자기력이라는 다른 힘으 로 분리되어 있다고 생가 되었으나 막스웰(James Clerk Maxwell)에 의해 하나의 힘이라는 것이 증명되었다.). 빅뱅부터 네 힘의 분리까지 는 10¯¹²초 밖에 걸리지 않았다. 중력이 분리된 직후는 아무런 일도 생기지 않았다. 중력은 물체의 질량 과 비례하기 때문에 입자들의 세계에서는 무시해도 되는 힘이다(실제로 과학자들은 연구를 할 때 중력과의 상호작용을 고려하지 않는다.). 그러 나 강력과 약력, 전자기력이 분리된 후 우주는 하나의 솥과 같은 상태가 된다. 쿼크들이 강력에 의하여 양성자와 중성자와 같은 하드론들을 만들 고 이렇게 만들어진 양성자와 중성자들은 약력에 의해 서로 바뀌게 되었 다. 그렇게 우주 최초의 원자인 수소와 헬륨의 원자핵들이 만들어 졌다. 수소와 헬륨의 질량비는 1:4 이며 개수 비는 12:1이기 때문에 우주 전체 의 수소와 헬륨을 모아 무게를 재 보면, 무게비가 3:1이 된다. 그리고 이 모든 것이 바로 이 질량비 3:1이었던 걸쭉한 혼합죽에서 만들어 지게

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된다. 그러나 아직 진정한 원자의 탄생은 이루어지지 않았다. 전자가 너 무 온도가 높았던 나머지(빅뱅 직후의 우주는 매우 고온과 고압의 상태 였다.) 원자핵에 붙어 있지 못했던 상태였기 때문이다. 전자들이 좁은 공 간에서 현제와 비교 할 수도 없는 양의 에너지를 가지고 있어서 전자와 원자 핵 사이의 전기적 인력으로는 붙여 놓을 수 없었다. 이런 자유 전 자들 때문에 우주의 밖으로 빛이 통과 할 수 없었다. 이런 우주를 탁한 우주라고 부른다. 몇 십 만 년 후 우주가 충분히 차가워지자 전자들이 운동 에너지를 잃어 핵과의 전기적 인력에 끌려가게 되었다. 그렇게 중 성인 원자(수소, 헬륨)가 우주에 탄생하게 되고 빛은 자유를 얻게 되어 우주 공간을 활보해 나갔다. 그 때 처음으로 나온 그 빛은 지금 ‘우주배 경 복사’라는 이름으로 아직도 우주를 돌고 있다.

2. 별의 일생과 더 무거운 원자의 탄생 ‘초신성 폭발’ 수소와 헬륨의 원자핵이 전자와 결합한 이후 수 억 년 동안 우주는 수 소와 헬륨 그리고 암흑물질, 암흑 에너지로만 이루어져 있었다. 그러다 수소와 헬륨들이 자기들끼리의 인력에 이끌리기 시작하여 하나의 덩어리 를 이루게 되었다. 이 덩어리는 점점 커져 더 많은 수소와 헬륨을 흡수 하기 시작했다. 중력에 의하여 동그란 형태로 모여든 것의 중심부는 점 점 온도가 올라가 수소 핵융합을 하기에 충분한 온도까지 상승했으며(밀 도가 커지면 입자들 간의 충돌이 잦아져 온도가 올라간다.) 이것이 우주 최초의 핵융합을 하게 되었다. 그렇다, 우주 최초의 별이 탄생한 것이다. 그 별은 맨 처음 수소 원자핵 4개를 헬륨 원자핵 1개로 바꾸면서 손실 된 질량에 해당하는 만큼의 에너지를 내뿜으면서 중력에 맞서 자신의 모 습을 유지하고 있었다. 그렇게 조금이나마 우주에서 헬륨의 비가 증가하 게 되었다. 수 십 억년 후 별 중심부의 수소가 모두 헬륨으로 바뀌자 중 력으로부터 대항할 수 있는 에너지가 없어진 별은 빠르게 붕괴하며 수축 하기 시작하였다. 그러다 일정한 크기만큼 줄어들자 별의 중심부는 헬륨 핵합을 하기에 적합한 온도까지 상승하게 되었다. 그리하여 헬륨 원자핵 들은 자기들끼리 결합하여 소량의 리튬, 베릴륨, 붕소와 다량의 탄소를 만들기 시작하였다. 드디어 수소와 헬륨만으로 이루어진 우주에 새로운

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원소들이 등장한 것이다. 나는 이 최초의 별이 그 이후로 어떻게 되었는 지 모른다.(솔직히 헬륨 핵융합 단계에 들지 못 했을 수도 있다. 그러나 처음으로 헬륨 핵융합을 한 별이라고 생각하고 읽어주기를 바란다.) 충 분히 질량이 커서 탄소 핵융합 반응을 일으켜 더 무거운 원소를 만들어 냈을지 아니면 백색 왜성으로 삶을 마감했을지 말이다. 어쨌든 그 별은 우주에 커다란 반향을 일으켰다. 그 별은 죽음을 맞이 하였지만 그것이 만들 원소들은 우주에 뿌려져서 다른 별이나 행성의 일부분이 되어 지금 까지 존재하고 있기 때문이다, 그러던 어느 날 굉장히 큰 별이 죽음을 맞이하였다. 이 별은 충분히 크 고 무거운 별이라서 죽기 직전의 핵은 철로 구성되어 있었다.(철은 가장 안정된 물질로 별 내부에서 철은 핵융합을 하지 않는다. 가장 마지막 단 계인 것이다.) 중력에 대항하던 힘을 잃은 별은 빠르게 수축했으며....... 한 개의 은하보다 밝은 빛을 내며 폭발했다(그렇기 때문에 밤하늘에 갑 자기 밝은 별이 생기게 된다. 옛 사람들은 이 갑자기 나타난 빛을 새로 운 별이라 생각하여 초신(新)성이라는 이름을 붙여주었다.). 이것이 우주 최초의 초신성 폭발이었다. 그 폭발은 너무 강력한 나머지 철 원자핵들 을 융합시켜서(정상적으로는 발생할 수 없는 상황이다. 그 정도로 초신 성 폭발은 강력한 것이다) 우라늄등과 같은 더 무거운 원소들을 만들어 내어 우주에 흩뿌렸다. 이런 일들이 100억년 이상 일어나 우주에 자연 상태로 존재하는 원소들의 양이 지금의 상태에 이르게 되었다(현대에 와 서 실험실에서 자연 상태에는 없는 원소들이 만들어 졌다).

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제 2악장 : 데 크레센도-점점 작게 1. 치즈를 무한히 자르다 보면? ‘원자’의 발견 고대 그리스에서는 4가지 원소(흙, 물, 불, 바람)가 만물을 이루고 있다 는 4원소설이 정설로 인정 받고 있었다. 그러나 이 진리에 도전한 한 철 학자가 있었는데 그 자가 바로 데모크리토스이다. 데모크리토스는 간단 한 사고 실험을 통해 자신의 이론을 주장했다. ‘여기 치즈가 한 토막 있다고 하자, 이 치즈를 반으로 자른 다음 나온 두 쪽 중 한 쪽을 다시 반으로 자른다. 이 일을 무한히 반복하다 보면 더 이상 쪼개지지 않는 어떠한 것이 나올 것인데, 나는 이것을 ’원자‘라 고 부르겠다.’ 여기서 굉장히 중요한 개념이 등장하였다. ‘더 이상 쪼개 지지 않는 어떠한 것’ 이것은 굉장히 중요한 개념이다. 수 천 년이 지난 지금도 이 개념에 해당하는 입자를 찾기 위해 노력하고 있다. 게다가 원 자(atom)는 그리스어로 ‘쪼개다’ 라는 뜻의 'tomos'와 부정을 의미하는 접두사 ‘a'의 합성어 'atomos'에서 유래된 말로 데모크리토스가 만들 단 어이다(굉장히 핵심을 잘 찌른 단어라고 생각한다). 이러한 이론은 당대 의 다른 과학자들과 다르게 굉장히 현대적 이었다(생각해 보라 다른 사 람들이 세상은 불, 물, 흙, 바람으로 이루어져 있다고 할 때 혼자서 세상 은 원자와 허공만으로 이루어져 있다고 주장한 것이다). 아쉽게도 이렇 게 너무 시대를 앞서가는 이론은 인정받기 힘들다. 데모크리토스의 이론 은 그렇게 묻히는 듯 하였다. 그러나 그의 원자는 영국의 한 과학자 돌 턴(John Dalton)에 의해 부활하게 된다. 돌턴은 물질이 아주 작은 기본 입자로 이루어져 있어서 그것들 사이에 작용하는 힘의 크기에 따라 고체, 액체, 기체라는 3가지 상태를 지닌다 고 생각하였다. 그는 ‘아주 작은 기본입자’를 데모크리토스가 불렀던 것 처럼 ‘원자’라고 부르기로 했다. 데모크리토스의 원자론이 2300여년 만 에 부활한 것이다. 돌턴은 라부아지에가 물이 수소와 산소를 이루어져 있다는 것(4원소설 중 하나인 물이 기본 물질이 아니라는 것을 증명한 것이다.)을 발견한 것과 질량 보존의 법칙의 탄생 시킨 것에 힘입어 그

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의 원자론을 주장했다. 그는 원자를 물질을 이루는 가장 작은 단위라고 생각하고 나뉘지 않고 새로 생기거나 소멸하지 않는다고 했다(아쉽게도 지금은 셋 다 틀린 주장이다. 그러나 굉장히 현대적이고 과학적인 주장 이었다). 전에 나온 질량 보존의 법칙은 돌턴의 원자론에 적용시키면 매 우 잘 설명되었기 때문에 그의 주장을 뒷받침 하는데 큰 역할을 해 주었 다(데모크리토스는 이러한 증거를 찾지 못하였다). 돌턴의 원자는 데모크 리토의 원자와 다르게 자연에 실제로 존재하는 구체적인 것이다. 그러나 원자를 볼 수 없었던 20세기 초까지 돌턴의 원자는 가상의 존재로 여겨 져 왔었다. 시간이 지나고 원자보다 작은 입자인 전자와 방사선들이 발 견되자 드디어 돌턴의 원자는 세상의 모든 사람들에게 인정받게 되었다.

2. 휘는 빛 음극선 실험, ‘전자’의 발견 19세기 전자기학의 발전에 따라 유리관 속의 희박한 기체에 전기를 가 하여 빛을 내게 하는 실험인 ‘전기 방전’은 페러데이가 처음 실험한 이 후에 많은 과학자들의 관심의 대상이었다. 골트슈타인은 이 방전이 음극 에서 발생하기 때문에 ‘음극선’ 이라는 이름이 붙여 주었다. 음극선에 대 한 당시의 견해는 논쟁의 대상이었는데, 헤르츠(지금 진동의 단위로 사 용되는 헤르츠와 동일 인물)는 음극선을 전자기파로 보았으나 아일랜드 의 물리학자 스토니는 전기에 기본적인 전하를 가지고 있는 입자가 있다 는 것이 생각하고 ‘전자’ 라는 이름을 붙였다. 음극선이 무엇이냐는 논란이 사그라들지 않았던 이유는 음극선이 전하 를 띈 입자로 이루어져 있다면 자기장과 전기장 속 모두에서 영향을 받 아야 하는데, 음극선이 전기장 내에서는 반응을 하지 않는 것처럼 보였 기 때문이다. 이 논란은 톰슨이라는 천재적인 과학자로 인하여 종식 되었다. 케임브 리지 대학교의 교수였던 톰슨은 진동도가 더 높은 유리관으로 한 실험에 서 음극선이 전기장 내에서 휜다는 것을 보여줌으로써 음극선이 전하를 띈 입자들의 집합이라는 사실을 발견하였다. 전하를 띈 입자들은 스토니 의 ‘전자’에 꼭 들어맞는 특성을 지니고 있었다. 이렇게 기본 입자 중 하 나인 전자가 세상에 모습을 드러내게 되었다.

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3. 티슈에 반사된 대포알, ‘원자핵’의 발견 톰슨이 전자를 발견해 낸 바로 그 케임브리지 대학의 캐번디쉬 연구소 에 한 뉴질랜드 청년이 연구원으로 들어가게 되었다. 그의 이름은 러더 퍼드였는데 그는 그의 스승 톰슨과 함께 캐번디쉬 연구소의 부흥기를 이 끌게 된다. 러더퍼드는 알파선(헬륨 원자핵)을 다루는 전문가로 연구실에 있었던 어느 날 한 연구원에게 일거리를 달라는 부탁을 받게 된다. 별다른 생각 이 없었던 그는 금속판에 알파선을 쏘고 그 알파 입자들이 금속판을 통 과하고 난 후의 궤적을 기록하라는 역할을 주었다. 그때까지만 해도 그 의 스승인 톰슨의 원자 모형(둥그런 원자 안에 전자가 건포도처럼 밖혀 있는 형태)를 따르고 있었기 때문에 무거운 입자인 알파 입자는 별다른 저항을 받지 않고(거의 휘는 일이 없이) 금속판을 통과할 것이라는 것이 정설이었다. 당연히 별다른 결과가 없을 것이라고 생각한 러더퍼드는 얼 마 후 놀라운 결과를 듣게 되었다. 수 만개의 알파 입자 중 대부분은 별 다른 변화 없이 금속판을 자나갔으나 그중 몇 개는 매우 큰 각도로 휘었 으면 심지어 그중 1,2개는 거의 튕겨 나오기 까지 했다는 것이다. 러더 퍼드는 고민한 끝에 원자의 중심에 전하가 (+)인 핵이 있어서 이 핵의 원자 질량의 대부분을 차지 한다는 결론을 내렸다. 러더퍼드는 그 당시 일을 회고하면서 마치 티슈에 대고 대포를 쏘았는데 그 대포가 튕겨져 나온 것을 본 기분이라고 하였다. 러더퍼드는 이 실험 결과를 토대로 새 로운 원자모형을 만들었는데 가운데에 (+)전하를 띈 무거운 핵이 있고 그 주위를 일정한 궤도를 가진 (-)전하를 띈 전자가 회전하고 있다는 모 형을 제안하였다. 이 모형은 불안한 모형이었지만(전자가 원자핵에 이끌 려 핵 속으로 떨어지지 않고 그 주변을 맴돈다는 것을 설명하지 못했 다.) 러더퍼드는 처음으로 원자 내부를 열어 본 사람이 되었다.

4. 스승의 뒤를 이은 ‘중성자’의 발견 러더퍼드가 원자의 구조를 발견해 내었지만 두 가지 풀리지 않은 의문 점이 있었다. 수소는 원자 번호가 1번이기 때문에 별다른 문제가 없지만

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헬륨부터는 어떤가? 헬륨은 원자 번호 2번으로 양성자가 2개여야 한다. 그런데 양성자는 (+)전하를 띄고 있는 입자이므로 같은 극을 가진 양성 자는 서로 밀어 내어야 한다. 그런데 이 양성자들은 어떻게 서로가 결합 되어 핵을 이룰 수 있는 것인가? 또 한 가지는 질량수가 맞지 않았다. 실험에 의하면 헬륨 원자는 수소 원자보다 4배가 무겁다. 그런데 전기적 으로 중성이어야 하기 때문에 원자핵에 양성자는 2개밖에 없다. 이게 어 떻게 된 일일까? 전 세계의 물리학자들이 이것에 관심을 보였다. 그러나 이번에도 정답을 내놓은 곳은 캐번디쉬 연구소였다. 체드윅은 두 가지 문제의 해답으로 중성인 양성자 개념을 내놓았다. 그러나 이런 입자를 찾기는 쉽지 않았다. 전기적으로 중성이기 때문에 전지장 내부에서도 아 무런 흔적을 남기지 않기 때문이다. 그러나 체드윅은 이러나 저러나 중 성자의 존재를 예상하고 있었다. 그 무렵 베를린에서 플랑크의 제자인 보테는 베릴륨에서 나오는 방사선을 연구하고 있었다, 베릴륨은 그 때 까지 러더퍼드가 알파입자로 깨지 못했던 입자였다. 그는 베릴륨에서 나 오는 감마선으로 보이는 방사능을 관측했는데 이는 놀랍게도 투입한 알 파입자보다 더 큰 에너지량을 가지고 있었다. 여기서 감마선처럼 보였다 는

것이 중요한 이유는 감마선은 전하가 (0)인 입자들의 모임이기 때문

이다, 이에 관심을 가진 졸리오 퀴리 부부는 다량의 중성 입자를 베릴륨 원자에 쏴서 양성자가 튀어 나오는 것을 보고 ‘양성자의 콤프턴 효과’라 는 주제의 연구 결과를 발표했다. 원래 콤프턴 효과는 감마선이 원자에 부딪힐 때 전자가 튀어나오는 현상으로 꽤 유명한 현상이었다. 그러나 감마선에 의해 전자보다 2000배 이상 무거운 양성자가 튀어나온다는 것 은 말이 안 되는 것이었다. 이를 알게 된 체드윅은 연구를 해 ‘중성인 양성자’를 발견한 공로로 노벨 물리학상을 단독으로 수상하게 된다. 졸 리오 퀴리 부부가 충분히 중성자를 먼저 발견할 수 있었지만 체드윅과 졸리오 퀴리 부부의 차이는 단 하나 중성자의 존재 가능성을 알고 있었 다는 것과 없었다는 것이었다. 이렇게 중성자는 양성자와 함께 원자의 핵을 이루는 입자로 인류에게 알려졌다.

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5. 찬란한 시절은 끝났다, ‘뮤온’과 ‘메손’의 발견 세상이 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있음이 알려짐에 따라 그 당 시 학계는 역사적으로도 찬란한 시절을 맞이했다. 80종이상의 원자가 세 상을 이루고 있기보다 단 3가지의 입자로 세상을 설명할 수 있는 것도 있었지만 무엇보다도 만물이 +1 0 -1(전하)로 이루어져 있다는 사실은 정말도 이 입자들이 세상을 구성하고 있는 것처럼 보여 졌다. 하지만 원자모형을 만들면서부터 문제가 발생하기 시작했다. 수소 원 자는 아무런 문제점이 없다. 가운데 양성자 하나가 있고 그 주위를 전자 하나가 맴돌고 있는 것, 그러나 헬륨 원자로 시선을 돌려보면 무엇인가 이상한 것을 알게 될 것이다. 헬륨 원자핵은 양성자 2개와 중성자 2개로 이루어져 있다. 이 4개의 입자가 모여서 원자핵을 이루게 되는데 그렇다 면 입자들끼리 매우 가까운 간격을 유지해야만 한다(원자를 야구장 크기 라고 확대했을 때 원자핵의 크기는 작은 구슬 크기에 지나지 않는다). 이 때 문제가 발생한다. 양성자와 중성자, 중성자와 중성자끼리 가까이 있는 것은 그다지 이상한 것이 아니다. 그러나 양성자 2개가 가까이 있 는 것은 굉장히 이상한 일이다. 양성자와 양성자 사이의 힘은 전기력인 데 전기력은 두 입자들 사이 거리의 제곱에 반비례한다. 그러므로 양성 자끼리의 굉장한 반발력 때문에(같은 극을 가진 물체는 서로 밀어낸다) 핵은 순식간에 붕괴 되어야 할 것이다. 그러나 실험 결과 양성자-양성자 사이에 작용하는 힘은 양성자-중성자 와 중성자-중성자 사이에 작용하는 힘과 똑같은 크기를 가지며 입자들을 결합시키고 있었다. 전 세계의 과 학자가 고민에 빠졌을 무렵, 동쪽의 한 섬나라에서 해답을 제시했다. 유카와 히데키, 일본의 물리학자로 핵자들 사이의 힘(핵력)에 대한 연구 를 하였다. 그는 전자기력을 매개하는 입자가 광자(입의 입자)이듯이 핵 력을 매개하는 어떤 입자가 있을 것이라고 추측했다. 계산 결과 그는 매 개 입자의 질량이 전자의 200배 정도라고 예측하였으며, 이는 지금까지 알려진 어느 입자의 질량과도 같지 않았다.

1936년 미국 캘리포니아 공과대학의 칼 데이비드 앤더슨이 우주선 속 에서 100MeV/C²의 질량을 가진 입자를 발견했다. 전자의 질량이 0.5MeV/C²정도 이므로 유카와가 예언한 것처럼 보이는 입자가 발견된

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것이다. 그러나 훗날 이 입자는 유카와가 예상한 입자가 아닌 전자와 비 슷한 성질을 가진 입자로 밝혀졌다. 이 입자를 ‘뮤온’이라고 부르는데 뮤 온이 그 때 발견된 것은 아무도 예상치 못한 일이었다. 유카와가 예언한 입자는 그로부터 11년 후인 1947년에 발견되었다. 이 입자는 핵자와의 상호작용이 유카와가 기대한 것과 비슷하고 질량도 140MeV/c²로 유카와의 예상과 크게 다르지 않았다. 유카와는 이 입자 에 ‘메손’이라는 이름을 붙여줬으나 지금은 ‘파이온’이라는 이름으로 불 리고 있다(메손은 현제 쿼크와 반쿼크로 이루어져 있는 입자들을 통칭하 는 말로 쓰이고 있다. ‘중간자’라고도 한다.). 이 입자는 결국 유카와와 일본에게 첫 노벨상을 안겨 주었다. 사실 유카와의 이론은 현제 이론으 로는 옳지 않다. 양성자가 서로 반발하지 않는 이유(원자핵이 붕괴 되지 않는 이유)는 파이온이 중간에서 매개한 것(파이온을 주고 받는 것)이 아 니라

‘쿼크’와 ‘글루온’이라는 입자들 사이의 강한 상호 작용이 작용된

결과이다. 그래도 유카와의 이론은 획기적이었으며 양성자, 중성자, 전자 로만 구성 되어 있던 ‘이상적인 세계’에 뮤온과 파이온을 난입시켜 나중 에 더 많은 입자들이 발견될 것임을 암시 했다.

6. 이건 누가 주문했지? 폴 디랙, 우리가 흔히 생각하는 이론 물리학자의 모습이다. 부스스한 머리에 눈 밑 까지 내려온 다크서클, 짝짝이 양말까지. 그러나 그는 입 자들의 짝을 찾아준 사람이었다. 그는 1923년 케임브지에 연구원 학생 신분으로 들어가 파울리 밑에서 공부했다. 가장 휼륭한 스승 덕에 디렉 은 입자의 세계로 빠져들게 되고 그때부터 그의 천재성이 빛을 발하게 되었다. 그의 위대한 업적중 하나는 양자론을 다시 썼다는 것이다. 그 당시까지 양자론은 아인슈타인의 상대성 이론에 부합되지 않았다. 그것 에 불만이었던 디렉은 1928년 상대성 이론에 부합되는 한 가지 식을 완 성시켰다. 그런데 그의 방정식에는 한 가지 문제가 있었다. 에너지가 음수인 해가 존재하는 것이었다. 당시 물리학자들은 자연 현상에 어긋난 것처럼 보이 는 이 입자를 버려야 할지, 아니면 어떻게 사용해야 할지 고민했다(그

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당시에는 디랙을 포함한 아무도 이 음수의 의미를 짐작할 수 없었다). 얼마 지나지 않아 고민 끝에 디랙은 이 해가 전하 같은 물리적 성질이 전자와 반대인 입자가 필요하다는 것이라고 생각했다. 그 전까지 발견된 (+)전하를 띈 입자는 양성자 밖에 없었다. 그렇지만 오펜하이머는 양성자 가 디랙의 방정식의 해라면 양성자와 전자는 100억분의 1초만에 소멸하 여 광자가 되어야 한다는 것을 증명하였다. 해결의 실마리는 다른 곳에서 풀렸다. 우주선에서 새로운 입자가 발견 된 것이다. 앤더슨이라는 물리학자는 안개상자를 통과한 입자들의 흔적 사진을 보고 질량은 전자와 같은데 전자와 반대쪽으로 휘는 입자가 존재 한다는 사실을 깨달았다(안개상자 내부에는 전기장이 흐르기 때문에 전 하가 반대면 휘는 방향도 반대이다). 디랙의 방정식의 해에 부합하는 입 자가 발견된 것이다. 디랙의 이론을 몰랐던 앤더슨은 고민에 고민을 거 듭한 끄테 (+)전하를 띈 전자를 발견했다고 발표했다. 그는 이 입자를 양 전자라고 불렀는데, 반입자의 세계에서는 이례적인 경우이다(다른 반입자 들은 원래 입자 이름의 앞에 ‘반’이라는 접두어를 붙여서 부른다). 이렇 게 다시 ‘반물질’들이 세상에 모습을 드러냈다. 앤더슨은 다른 한 가지 발견을 더 했다. 그는 안개상자를 관측 중 또 다시 이상한 궤적을 발견하였는데 그 입자의 질량이 전자보다는 무겁고 양성자나 중성자보다는 가벼웠기 때문이다. 그는 또다시 새로운 입자를 발견한 것이다. 이 입자의 질량은 놀랍게도 유카와의 이론과 일치하여 (아직 파이온이 발견되기 전이었다) 다시 유카와의 이론이 수면위로 올 라왔다. 그러나 이 입자는 핵자(양성자와 중성자)들과 상호작용을 강하게 하지 않았기 때문에 유카와의 입자가 아니었다. 앤더슨은 이 입자를 ‘메 소트론’이라고 불렀는데 질량이 양성자와 전자 중간쯤 돼서 붙인 이름이 다. 양전자, 뮤온, 메손(파이온)등의 입자의 발견은 모두를 당황시켰다 +1, 0 -1로 설명할 수 있는 시대가 지나가고 원자와 관계없는 입자들이 튀 어나왔기 때문이다. 특히 뮤온에 대해서 이시도어 아이작 라비가 한 말 이 있다. “이거 누가 주문한 거지?” 또한 윌리스 유진 림 주니어라는 물리학자는 1955년 자신의 노벨상 시 상식에서 이런 농담을 했다고 한다.

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“지금 까지 새로운 기본 입자를 발견한 사람들은 노벨상을 받았지만, 앞 으로 그런 걸 발견하면 벌금으로 1만 달러를 부과해야 한다고들 합니 다.” 그 당시 과학자들의 심경을 대변해주는 말이다. 그러나 이 말이 무색하 게도 새로운 입자들은 계속 발견되었으며 현제는 메손만 해도 140여종 이 알려져 있다. 이렇게 입자들의 종류가 다양해지자 물리학자들은 입자 들을 분류할 필요성을 느끼게 되었다. 그리고 드디어 입자들을 분류할 수 있는 열쇠를 찾아낸 사람이 등장하게 된다.

7. 입자들의 지도와 실마리 1950년에서 1960년대에 이르기까지 수많은 종류의 입자들이 계속 발견 되었으며 입자들의 발견은 끝이 없을 것 같아 보였다. 그 때 머리 겔만 이 혜성처럼 등장해서 기본 입자들을 정리했다. 그 업적의 시작은 ‘케이 온’과 그와 비슷한 입자들을 연구하면서 부터였다. 케이온 같은 입자들 은 만들어질 때는 매우 쉽게 만들어 졌지만(그 당시에는 인공적으로 케 이온 입자를 만들 수 있을 정도로 가속기가 발견되었다) 더 가벼운 입자 로 붕괴할 때는 상당한 시간이 걸린다. 겔만은 이것이 만들어지는 원리 와 붕괴되는 원리가 다른 것임을 직감하고 이 이상 현상을 ‘기묘도’라는 새로운 양자수를 도입해서 설명했다. 양자수는 입자 물리학에서 굉장히 중요한 개념이다. 예를 들어 양성자 와 중성자는 전하가 반대라는 것 말고는 놀라울 정도로 비슷한 입자이 다. 질량도 입자들의 세계에서 예외적으로 비슷하고 스핀도 1/2로 같다. 그렇다면 전하 말고도 어떻게 이 두 입자를 분류할 수 있겠는가? 이 질 문에 대한 대답이 바로 ‘양자수’이다. 예를 든 양성자와 중성자는 ‘아이 소스핀’이라는 양자수가 1/2인 입자인 두 가지 상태인 것이다. 이처럼 양자수는 입자들을 분류하는데 큰 역할을 하는 것으로 겔만이 제안한 정리 체계 ‘스핀’이라는 양자수가 0인 메손을 전하와 기묘도에 따라 분류하면 8개의 메손이 육각형 모양으로 배열된다는 것이었다. 마 찬가지로 스핀이 1/2인 ‘바리온’이라는 입자의 집단들도 육각형 모양으 로 배열할 수 있었다. 겔만은 이렇게 ‘하드론’들을 분류할 수 있는 주기

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율표와 같은 것을 발견한 것이다. 겔만은 이런 8각형 구조에 불교에 나 오는 단어인 ‘팔정도’(‘SU(3)대칭성’ 이라고 하기도 한다)라는 이름을 붙 였다. 겔만은 독자적으로 SU(3)대칭성을 연구하던 유발 네만과 힘을 합 쳐서 스핀이 3/2인 바리온 들의 집단의 분류에 대해 의논하고 있었다. 의논 당시에 스핀이 3/2인 바리온은 총 9개가 발견되어 있었는데 10중 항을 완성하기에 하나의 입자가 부족했다. 그들은 10중항의 마지막 한 자리 입자의 특징을 예언하였다(각각의 중항의 위치에 따라 입자의 특징 을 알 수 있다). 결국 그들의 예언한 입자는 1964년에 발견되었고 놀라 운 예측의 일치를 보여주었다(겔만과 네만이 예측한 입자의 질량은 1,680MeV/c²이었고 그 입자의 질량은 1,686MeV/c²이었다).

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s=0

n

p Σ⁰

s=-1

Σ⁺

Σ¯ Λ

s=-2

Ξ⁰

Ξ¯

q=1

q=0 머리 겔만의 팔정도

q=-1

s : 양자수 기묘도 Δ¯

Δ⁰

Δ⁺

s=0

s=-1

Σ¯

Σ⁰

Σ⁺

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Δ⁺⁺

q : 전하 그리스 문자 : 하드론

이 입자는 겔만의 승리를 결정지었다. 수많은 하드론들 사이에서 그것 들을 정리하는 하나의 열쇠를 찾아낸 것이다. 그는 ‘SU(3) 대칭성’이라는 새로운 개념을 창시, 3중항, 8중항, 10중항의 배열 방식을 발견, 입자들 을 정리하고 새로운 입자들의 특성을 예언했다. 이렇게 탄생한 것이 ‘표 준모형’이며 가장 성공적인 입자 이론으로 평가 받고 있다. 겔만이 입자들의 체계를 정리하였다면 파인만은 입자들간의 상호작용을 간단하게 정리하였다. 기본 입자들이 많아지면서 그 입자들 간의 상호작 용이 궁금해지던 시절 슈윙거와 파인만은 독자적인 연구를 통해 입자들 간의 상호작용을 설명할 수 있는 방법을 알아냈다. 세계적인 과학자들이 모인 1948년 펜실베이니아 주 포코노에서 슈윙거는 처음부터 칠판에 글 을 쓰기 사작해(우리들이 가장 싫어하는 수업 방식이다) 자신의 이론을 증명하기 시작했다. 칠판 한 바닥을 다 쓴 뒤 그의 계산을 따라잡은 사 람은 페르미나 오펜하이어 등 당시 최고 중의 최고밖에 존재하지 않았 다. 그 다음으로 강단에 오른 파인만은 수식 대신에 그림 하나로 모든 것을 설명 했다. e¯

e¯

γ,Ζ

s=-2

Ξ¯

Ξ⁰ q=2

s=-3

e⁺ Ω¯ q=1 q=-0 전자와 양전자의 탄성충돌(충돌 전과 충돌 후의 입자가 같은 경우의 충돌)을 나타낸 q=-1 파인만 다이어 그램 e⁺는 양전자, e¯는 전자, γ와 Ζ는 각각 광자와 보손을 나타낸다 e⁺

겔만과 네만이 예상한 입자

이 그림은 굉장한 파장을 가지고 왔다. 많은 과학자들이 이 이론에 대 한 의문을 품었다. 그러나 결국 후에 프리먼 존 다이슨에 의하여 슈윙거 와 파인만의 이론이 같은 것임이 판명 났다. 지금은 모든 과학자들이 이 러한 방법으로 입자들 간의 상호작용을 표현하고 있다 어떤가? 같은 것

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을 설명해도 이렇게 다르게 설명할 수 있다. 과학은 어려운 학문이 아니 다. 오히려 과학은 어려운 것을 쉽게 설명하기 위한 학문이다.

8. 양성자도 깨지다 ‘쿼크’의 발견 겔만의 팔정도가 성공하면서 팔정도 중 가장 단순한 구조인 3중항이 8 중항과 10중항이 기본 요소가 아닐까라는 의문이 싹트기 시작했다. 그런 데 그렇게 되려면 3중항의 입자들의 전하가 2/3이나 –1/3이 되는 문제 가 있었다. 그 전까지 전자의 전하값을 전하의 최소단위로 정해서 사용 해 왔기 때문에 분수 전하는 물리학자로서는 본능적으로 기피하는 대상 이었다. 그러나 겔만은 3중항을 이용해 모든 하드론들을 만들어 낼 수 있는 ‘쿼크’삼중함을 만들게 된다. 그러나 쿼크가 인정받기에는 많은 어 려움이 있었다. 전자의 전하가 전기의 최소 단위라는 것은 오래전에 무 수한 관찰을 통해 밝혀진 사실이기 때문인 데다가 분수 전하를 가진 쿼 크의 존재를 실험으로 검출 할 수 없었기 때문이다. 다행히도 1968년에 스탠퍼드 선형 가속기 연구소의 실험을 통해 양성자 안에 더 작은 입자 가 있다는 것을 알게 되면서 쿼크의 존재를 인식되어져 갔다. 양성자를 깨려면 어떻게 해야 할까? 정답은 양성자 내부에 입자에 집어 넣어야 한다는 것이다. 충분한 에너지로 가속된 입자를 양성자에 부딪히 면 양성자가 깨진다. 그렇지만 충분한 속도로 가속되지 못한 입자가 양 성자에 부딪히면 그냥 튕겨져 나올 뿐이다. 이것을 처음으로 생각한 사 람이 바로 파인만이다. 파인만은 양성자가 어떤 작은 입자로 이루어져 있다고 가정했다. 그는 이 입자에 대해 아무것도 알지 못하였기 때문에 그 입자들을 통틀어 ‘파 톤’이라고 불렀다. 파톤들은 매우 빠른 속도로 양성자 안을 돌아다닐 수 있다. 그래서 낮은 에너지의 충돌은 파톤을 인지할 수 없을 것이다. 이 는 선풍기를 생각하면 된다. 선풍기에 총알을 쏜다고 할 때 총알이 충분 히 빠르지 못하다면 빠르게 돌아가는 선풍기 프로펠러에 막혀 선풍기를 지나칠 수 없고 그냥 튕겨져 나올 것이다. 이것이 바로 작은 에너지로 양성자에 충돌했을 때 발생하는 탄성 충돌이다. 그러나 충분히 빠른 총 알을 선풍기에 쏘면 총알은 선풍기 프로펠러가 돌기 전에 지나가 선풍기

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를 통과할 수 있다. 이른바 양성자의 내부로 들어갈 수 있는 것이다. 놀랍게도 이 생각은 맞는 것이다. 실제로 양성자의 내부에는 쿼크(파톤) 들이 빠르게 돌아다니며 그들을 양성자 밖으로 나가지 못하게 속박하고 있는 글루온도 돌아다닌다. 양성자에 전자를 충분히 빠른 속도로 쏘면 (이것을 심층 비탄성 충돌이라고 한다) 그렇게 돌아다니는 쿼크나 글루 온 중 하나에 충돌 할 것이다. 실험 결과는 놀라웠다. 양성자를 구성하 고 있는 업 쿼크와 다운 쿼크는 물론이고(이 둘을 드러난 쿼크라고 한 다) 탑 쿼크나 스트레인지 쿼크 같은 다른 쿼크들도 만날 수 있었다. 다 른 쿼크들은 끊임없이 생겼다 소멸했다가를 반복하는데(광자가 쿼크와 반쿼크로 바뀌고 반쿼크와 쿼크가 광자로 바뀌는 현상) 이런 입자들을 (글루온도 생성, 소멸을 반복한다) ‘숨은 쿼크’라고 한다. 결국 양성자는 입자들이 생성했다 소멸하는 죽 같은 것이었다. 전자가 어떤 파톤을 만 날지는 확률에 달려 있는데 물리학자들은 충돌 실험을 통해 그 결과를 ‘파톤 분석 함수’로 나타내었다. 이 함수의 그래프는 오늘날 우리가 알고 있는 양성자의 구조이다.

9. 입자들에게 질량을 부과 하는 ‘힉스’ 힉스 입자는 스핀이 0인 스칼라 입자이고 전기적으로 중성인 입자이다. 힉스 보손이라고도 하는데 이 입자의 역할은 다른 입자들에게 질량을 부 과하는 것이다. 피터 힉스가 처음으로 고안한 이 입자는 특별한 장을 주 변에 만들어 내어 그 장 안에 있는 입자들에게 질량을 부과한다. 이 입자를 만들어 내기 위해 설립한 입자 가속기가 바로 LHC이다. 그 이유는 힉스 입자의 질량이 너무 커서인데, 질량이 크면 클수록 검출해 내기가 쉽지 않기 때문이다. 게다가 힉스 입자는 전기적으로 중성이여서 전기장 안에서 아무런 반응도 보이지 않아 더욱 찾기 힘들다. 그리하여 고안된 방법이 힉스 보손이 붕괴되어 만들어진 입자를 찾는 것이다. 그 러나 이 방법도 쉽지 만은 않다. 만약 힉스 보손의 질량이 상대적으로 검출이 잘 되는 입자로 붕괴되기 적당하다면 같은 종류의 입자들에게 묻 혀 힉스로부터 붕괴되어 나온 입자를 찾기 힘들다.

2013년 10월 4일, 힉스 입자로 보이는 입자가 LHC에서 발견되었다.

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그 입자는 표준보형과 일치하는 0의 스핀값을 가지며 질량은 양성자의 134배 가량인 125.5GeV/c²이라고 전해졌다. 180GeV/c² 이상일 경우가 힉스 입자를 찾기에 가장 이상적인 질량이기 때문에 검출이 힘들기는 했 지만 힉스 입자의 질량이 1TeV/c²이하일 경우 LHC에서 발견될 확률이 매우 컸기 때문에 너무 놀랄만한 결과는 아니었다. 그래도 이것은 굉장 한 발견으로 우리는 우리들을 구성하고 있는 것들이 무엇인지 조금 더 알게 되었다.

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제 3악장 : 크레센도-점점 크게, 강하게

1. 안개, 거품상자와 우주선 안개상자는 정말 우연히 발명된 것으로 윌슨이라는 물리학자가 안개의 형성과정을 연구하다가 발명했다. 그는 습도가 100%가 넘는 과포화 상 태의 공기를 가지고 실험하는데 전기를 가진 입자가 통과하면서 공기를 이온화 하고 이온이 물방울을 형성하는 것을 발견했다. 이것을 보고 윌 슨은 우주선을 관찰하기 시작했다. 우주선이란 원래 별 속에 있던 물질들이 별이 중력 붕괴나 폭발을 할 때 튀어나와 우주 공간을 날아다니는 것을 말한다. 우주선이 지구 가까 이에 오면 우선 대기권의 공기 분자와 충돌하게 되며, 이때 우주선의 에 너지에 따라 공기 분자들이 분해되며 여러 가지 입자들이 만들어지게 된 다. 이런 입자들이 안개상자를 지나가면서 궤적을 남기는 것이다. 이것 이 바로 인류 최초의 검출기였다. 이 검출기가 더 발전한 것이 지금 LHC에서 사용하는 거품상자이다.

1952년 도널드 아스 글레이저는 높은 밀도의 액체 매질을 사용해 이온 화된 공기가 거품을 형성하게 만들었다. 이 검출기는 매질의 상태가 더 빨리 회복되는 장점을 가지고 있어서 많은 입자들을 검출할 수 있게 되 었다.

2. 선형 가속기 양성자의 내부를 알아볼 때 전자를 충돌시킨다(심층 비탄성 산란)는 것 을 아직 기억하는가? 그러나 전자를 가속 하는 데는 한 가지 단점이 있 다. 양성자와는 달리 전자는 원형 궤도를 돌면 전자기파를 발생하며 에 너지를 잃기 때문에 에너지 효율면에서 굉장히 비효율 적이다. 따라서 건축 비용이 조금 더 들어도 긴 선형 가속기를 만들어 내는 것이 경제적 으로 더 이득인 것이다. 선형 전자 가속기는 1947년 Mark Ⅰ이 시초로 6MeV까지 가속하는데

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성공했다. 그리고 그 다음부터 발전을 거듭하여 1962년 스탠퍼드 선형 가속기 연구소가 설립되었다. 그리고 1966년 길이 약 3.6km의 대형 선 형가속기가 완공 되었고 이로 인하여 양성자 내부에 다른 입자들이 있다 는 것을 증명시켜 주었다.

3. 사이클로트론 현대에서 가장 보편적으로 떠올려지는 가속기는 둥그런 모양일 것이다. 이러한 모형을 가진 가속기를 사이클로트론이라고 하는데 어니스트 올랜 도 로런스라는 물리학 교수가 처음으로 만든 것이다. 자기장 안에 가속기가 놓여 있으면 가속된 입자는 회전에 반원을 그리 고 다시 가속기로 돌아온다. 이 때 전압의 부호를 바꿔준다면 입자는 다 시 가속된다. 이런 식으로 전압의 부호를 바꾸면서 입자를 가속하는 가 속기를 ‘사이클로트론’이라고 한다. 입자 가속 과정에서 신기한 일이 하 나 있는데, 자기장이 일정할 때 입자가 가속되면 힘을 받아도 옆으로 적 게 휘어져서 더 큰 원을 그리게 되므로 속력과 이동거리의 비는 일정하 게 유지, 즉 가속기로 돌아오는 시간이 일정하다. 그리하여 입자의 궤도 가 넓어지는 비율을 알고 터널을 만들어 입자의 순환 주기마다 전압이 바뀌는 교류 전압을 사용하면 하나의 가속기로 계속 입자를 가속할 수 있다. 이러한 주파수를 ‘사이클로트론 주파수’라고 한다. 로런스가 처음으로 만든 것은 겨우 12cm에 불과하였지만 점 점 커지 기 시작했다. 그러나 출력이 높아지면서 사이클로트론의 문제점이 부각 되게 되었다. 이는 아인슈타인의 상대성 이론 때문인데, 입자가 빛의 속 도에 가깝게 가속되면 질량이 증가하여 사이클로트론 주파수가 바뀌게 된다. 이를 막기 위해 과학자들은 자기장의 세기를 바꾸는 사이클로트론 을 개발 했으며 이러한 가속기를 ‘등시성 사이클로트론’이라고 한다. 그리고 드디어 세계 최대의 등시성 사이클로트론인 LHC가 모습을 드러 냈다.

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4. LHC 유럽 임자 물리학 연구소 CERN에 소속되어있는 LHC는 제네바의 지하 100m에 위치해 있으며 둘레길이 27 킬로미터를 자랑한다. LHC는 두 개의 양성자 빔을 서로 반대방향으로 가속시켜 충돌시키는 것을 주 업무 로 삼고 있는데 목표는 힉스 입자의 발견 및 연구이다. 이 때의 LHC 내 부의 온도는 전기저항을 최소한으로 줄이기 위해 절대 영도에 근접해 있 으며, 사용하는 전기는 40만 명의 인구가 사용하는 전력에 맞먹는다. 어떤가? 굉장히 특별하지 않는가? 수식어도 다양하다. ‘가장 작은 것을 찾기 위해 만든 가장 큰 기계’, ‘우주보다 더 차가운 곳’ 이런 LHC는 ‘LEP'라는 가속기가 원래 있던 터널에 설치 되었는데 터널을 파는 비용 을 절약했음에도 우리 돈으로 5조원 가량이 소모 되었다고 한다. 왜 이런 돈을 들여서 LHC를 만든 것일까? 그것은 지금의 표준모형을 뛰어넘는 부분을 탐색시켜 주기 때문이다. 현제의 표준 묘형은 1TeV라 는 한계점 안에서의 이론인데, 10TeV까지 가속할 수 있는 LHC는 충돌 시 1TeV이상의 에너지를 낼 수 있어, 우리가 아는 그 이상의 부분을 탐구할 수 있다. 이런 사명감을 가지고 태어난 LHC는 2008년 9월 10 일 첫 가동을 시작하였다. 그리고 현재 첫 번째 목표로 여기던 힉스 입자를 발견하였다.

LHC에서 블랙홀이 생성될 수 있다는 괴담을 들어본 사람이 있을 것이 다. 실제로 LHC에서 블랙볼이 만들어질 가능성은 굉장히 희박하다. 게 다가 물리학자들은 블랙홀이 만들어 지는 것을 기대하고 있다. 이게 무 슨 뚱딴지같은 소리냐고 다들 생각했을 것이다. 그러나 블랙홀은 여러분 들이 생각하는 것처럼 그렇게 무지막지 한 것이 아니다. 만약 우리 태양이 사라지고 그 자리에 똑같은 질량의 블랙홀이 생겼다 고 가정해 보자. 그 블랙홀에서도 우리 태양만큼의 열에너지가 발생된다 고 할 때 어떤 일이 일어날 것 같은가? 놀랍게도 아무 일도 일어나지 않 는다. 블랙홀도 자기 질량만큼의 중력을 가지고 있기 때문이다. 블랙홀 이 강력한 것은 좁은 곳이 태양의 100배보다 많은 질량을 가지고 있기 때문이지 블랙홀 자체가 강력한 것이 아니다. 결론적으로 말 했을 때 LHC에서 블랙홀이 생긴다 해도 우리는 알아채지 못할 것이다. 겨우 양

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성자의 중력을 가진 블랙홀이 어떻게 지구를 빨아들일 수 있겠는가?

5. CERN CERN은 유럽 입자 물리 연구소의 약자로 스위스 제네바와 프랑스 국 경에 걸쳐있다. 스위스 지도를 보면 ‘레만’이라는 호수를 찾을 수 있는데 레만호는 스위스와 프랑스의 경계선으로 남쪽은 프랑스, 북쪽은 스위스 의 영토이다. 레만호의 남쪽에서 제네바를 찾았는가? 그렇다면 그곳의 크르나뱅 광장 앞 정류장에서 14번 혹은 16번 트랙을 타고, 보단에서 56번 버스로 갈아타서 북쪽의 종점까지 가 보면 바로 앞에 차단기가 내 려진 입구가 있다. 이곳이 LHC가 있는 입자 물리학 연구소 CERN이다.

CERN은 1954년에 설립되었으며 전 세계 160개 기관에서 2000명 이상 의 과학자가 참여하고 있다. www(World Wide Web)을 발명한 곳으로 도 알려져 있는 CERN은 아직까지 일반인들에게 먼 곳인 듯하다. 실제로 CERN의 홈페이지에 가 보면 CERN이 실존하냐는 질문이 올라 와 있다. 그 이유는 이 장소가 댄 브라운의 소설 ‘천사와 악마’에서 나온 장소라서 그런 것 같다. 이곳에서 악당들이 바티칸 시국을 테러하려고 반물질을 훔쳐간다. 그러나 소설은 소설일 뿐 작가는 굉장한 문제를 알 아차리지 못했다. 이 소설에서 악당은 반물질 1/4그램을 훔쳐간다. 이는 실로 엄청난 양이다. 수소가 1몰(6.02×10²³개) 만큼 있을 때 1g이다. 수 소의 질량은 양성자의 질량과 같은데 이는 반양성자의 질량과 같으므로 CERN의 통계에 의하면 반양성자 300조개 (1몰의 20억분의 1개)만드는 데 514억 원이 들고 1/4그램이면 2568경 7500조원이 필요하다. 게다가 한 시간에 반양성자 500억 개를 생산할 수 있기 때문에 1/4그램을 만들 려면 3억 년쯤 걸린다고 한다. 어떤가? 이런 것은 가능하지 않다. 그 소 설에서 우리가 CERN에 대해 알 수 있는 것은 CERN이 실존한다는 것 뿐이다.

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콘서트 폐회사 전문가 인터뷰 원래는 과거에 CERN에서 일하셨고 현제 건국대학교 물리학부 연구 교 수로 재직 중이신 이강영 교수님을 인터뷰하려고 했으나, 여러 가지 한 계에 부딪혀서 가상 인터뷰를 하게 되었다. (인터뷰 대상은 식상하지만 이 책의 저자인 제가 나중에 입자물리학자가 되었다는 전제 하여 인터뷰한 것이여 이에 양해 부탁 드립니다.)

Q. 입자 물리학자라는 꿈을 꾸게 된 시기와 그 계기가 어떻게 되나요?

A. 음.. 제가 7살 무렵에 ‘단숨에 끼치는 과학상식’이라는 만화책을 읽은 이후부터 과학자의 꿈을 꾼 것 같습니다. 그 때에는 멍청한 만화 주인공 도깨비가 아닌 똑똑한 그 주변 친구들처럼 되는 것 이 제 목표였는지도 모르겠습니다. 입자 물리학자가 되자!! 하고 생각한 것은 중학교 1학년 때입니다. 당시 영재교육원에 진학하 려면 과학에 대한 지식이 많아야 할 것이라고 생각한 저는 물리 학에 관련된 책을 고르던 중 빨간색 표지가 인상적인 책이 눈에 들어왔습니다. 인터넷 서점이 수 천 권의 책이 있음에도 그 책이 눈에 들어온 것은 순전이 행운이었습니다. 그 책이 바로 ‘LHC 현 대물리학의 최전선’입니다. 이 책을 읽고부터 입자물리학자의 꿈 을 꾸게 되었습니다. 박지성 선수의 ‘나를 버리다’라는 책을 보면 빅모(Big Momentum) 이라는 표현이 나옵니다. 자기 인생을 바 꿔준 커다란 행운의 순간을 말하는 것인데 박지성 선수의 빅모는 히딩크 감독을 만난 것이고 제 인생의 빅모는 그 책을 접한 것입 니다. 인생을 살다보면 빅모의 순간은 누구에게나 몇 번씩 찾아옵 니다. 그 행운을 놓치지 않고 잡는다면 여러분도 성공한 삶을 살 수 있을 것입니다.

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Q. 가장 존경하는 사람 TOP3를 뽑자면?

A. 3위는 머리 겔만(Murroy Gell-Mann)입니다. 그는 세계가 전자, 양성자, 중성자로 구성되어 있다는 ‘좋은 시절’이 지나고 입자(하드 론)들이 쏟아져 나오던 때에 한 줄기 빛을 제공한 사람입니다. 그 는 입자가 상호작용 하는 방법이 중간에 변화하는 것을 보고 (이 는 정말 괴상한 일이다. 마치 바가지로 물을 퍼고 바가지로 물을 버리는 것이 아닌, 바가지로 물을 펐는데 버릴 때는 볼펜 같은 전 혀 다른 것으로 버리는 듯한 현상이었다. 여기서는 강한 상호 작 용으로 결합하고 약한 상호 작용으로 붕괴하는 현상이다.) 이 문제 를 ‘기묘도’라는 새로운 양자수를 제시해 돌파했습니다. (양자수와 기묘도에 대한 이야기는 이 책의 다른 부분에 기술되어있다.) 이렇 게 기본 입자들 사이의 규칙에 따라 정리하는 것, 이는 제가 꿈에 그리는 일 중 하나입니다.

2위는 베르나르 베르베르(Bernard Werber)입니다. 현생 인물 중 가장 존경하는 사람인데 의외로 작가입니다. ‘개미’라는 장편 소설 을 시작으로 ‘천사들의 제국’, ‘나무’, ‘파삐용’, ‘신’, 그리고 현제 연재중인 ‘제 3인류’ 등을 쓴 프랑스인 작가로 그의 작품은 대부분 인류의 미래를 예측하고 또 다른 미래를 설계하는 방식으로 이루어 져있습니다. 그가 쓴 ‘상대적이고 절대적인 지식의 백과사전’은 ‘에 드몽 웰즈’작 중 인물에 의해서 소설 내에서 먼저 출판된 특이한 경우 인데, 그의 사상이 대부분 투영된 글로 소설이 아닌 옵니버스 식 구성으로 어떤 정보, 지식 등을 전달하는 책입니다. 그런 그의 책을 보면서 인류의 과거, 현재, 미래에 대한 생각해 보았고. 또 제 일에 집중하는 것이 인류에 도움이 되는 일임을 알게 되었습니다.

1위는 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)경입니다. 그 최초로 원자 내부를 열어본 사람으로 훌륭한 제자이자, 훌륭한 물리학자였 으며, 훌륭한 스승이었습니다. 처음 그는 공부를 포기할 뻔 하였습 니다. 그러나 그와 경쟁했던 자가 유학을 포기하는 바람에 장학금 을 받아 캐번디쉬 대학교 졸업생이 아닌 사람 중 최초로 캐번디쉬 연구소에 들어가게 됩니다. 거기서 그는 음극선을 통해 원자 내부 에 전자가 있다는 것을 발견한 J.J.톰슨(Joseph John Thomson)밑

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에서 연구하였고 결국 양성자의 존재를 알아내, 원자 중심에 원자 질량의 대부분을 차지하는 원자핵을 발견하는 엄청난 업적을 이룩 하게

됩니다.

그리고

그가

길러낸

제자들

중

체드윅(James

Chadwick)은 중성자를 발견, 노벨상을 수상하였으며 또 그 외 8명 (체드윅 포함 9명)도 노벨상을 수상해 이부분 세계 최고에 올라가 있습니다.

책을 쓰고 난 뒤 책을 써보고 나니 내용을 참고했던 ‘LHC 현대물리학의 최전선’이라는 책과 너무 비슷하게 되어 그 책의 축소판을 쓴 듯한 느낌이 들었습니다. 그러나 제가 처음으로 쓴 책이니 만큼 최대한 일반 학생들도 읽을 수 있 을 정도로 풀어서 쓰고 다른 자료도 열심히 찾아 보았습니다. 그래도 이 강영 교수님의 아이디어를 배낀 것 같아 죄송한 기분이 듭니다. 드디어 A4용지 30페이지 분량의 책을 다 썼습니다. 여백의 미를 살렸 음에도 굉장히 힘들었습니다. 그래도 기회가 된다면 이런 책을 계속 써 서 제 꿈을 키워나가고 싶습니다. 계속 응원해 주십시오. 지금까지 제 책을 읽어주셔서 감사드립니다. 이것으로 콘서트를 모두 마칩니다. 감사합니다!!

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이 책은 마포구청 논술지원비로 제작되었습니다.