▼ 일상의 비유를 통해 복잡한 물리를 이해할 수 있는 개념으로 바꾸어놓은 책
물리학을 접해보고자 하는 사람들은 시작부터 난관에 부딪히게 된다. 복잡한 수식과 난해한 개념 때문이다. 특히나 입자물리는 눈으로는 볼 수 없는 작은 입자들의 세계를 다루고 있기 때문에 더욱 이해하기 어렵다. 게다가 입자들의 행동은 이 우주 안의 어떤 것과도 비슷하지 않으며, 우리가 일상생활에서 만나는 것들과 완전히 다르게 움직인다.
이런 내용을 제대로 이해하려면 수학을 배워야 하지만, 저자는 입자에 관한 굵직굵직한 아이디어와 흥미로운 개념들을 어려운 수...
▼ 일상의 비유를 통해 복잡한 물리를 이해할 수 있는 개념으로 바꾸어놓은 책
물리학을 접해보고자 하는 사람들은 시작부터 난관에 부딪히게 된다. 복잡한 수식과 난해한 개념 때문이다. 특히나 입자물리는 눈으로는 볼 수 없는 작은 입자들의 세계를 다루고 있기 때문에 더욱 이해하기 어렵다. 게다가 입자들의 행동은 이 우주 안의 어떤 것과도 비슷하지 않으며, 우리가 일상생활에서 만나는 것들과 완전히 다르게 움직인다.
이런 내용을 제대로 이해하려면 수학을 배워야 하지만, 저자는 입자에 관한 굵직굵직한 아이디어와 흥미로운 개념들을 어려운 수식을 빌리지 않고도 이해할 수 있도록 일상생활의 언어로 설명한다. 우리 주위에서 흔히 볼 수 있는 것들에 입자를 비유해 독자들이 입자들의 세상에 좀 더 쉽게 다가갈 수 있도록 도와주기 때문이다. 예를 들어 빛알이 어떻게 힘을 전달하는지 설명하기 위해 각자 스케이트보드 위에 올라선 두 사람이 마주 본 채 공과 부메랑을 주고받는 상황에 빗대거나, 양자역학의 경로 적분과 숨은 변수 이론을 설명하기 위해 집에서 회사까지 출근하는 다양한 경로들을 예로 든다. 약력과 베타붕괴를 설명할 때는 텔레비전 할인 판매의 경우를 활용함으로써 복잡한 방정식이 없어도 입자에 관한 핵심적인 개념들을 이해할 수 있게 해준다.
▼ 입자물리에 관한 역사상 가장 거대한 실험들을 만나다
이 책에서 또 하나 돋보이는 점은 입자 실험들의 흥미로운 뒷이야기를 들을 수 있다는 것이다. 원자핵을 발견한 러더퍼드의 금박 실험처럼 널리 알려진 에피소드부터, 입자들의 흔적을 발견하게 해준 찰스 윌슨의 구름상자 실험, 우주선(cosmic ray)을 발견하기 위한 과학자들의 다양한 실험 등 역사적으로 의미 있는 실험들을 생생하게 만날 수 있다. 또한 오늘날 진행 중인 입자물리에 관한 크고 작은 실험들도 자세하게 소개되어 있다. 그중에서도 스위스 유럽원자핵공동연구소(CERN)에 있는 거대 강입자 충돌기(LHC)에 관한 세세한 묘사, 2012년 세계를 놀라게 한 힉스 보손 발견 당시의 현장 스케치와 LHC를 이용한 ‘입자 사냥’에 관한 이야기들은 모험영화를 보는 듯 흥미진진하다. CERN의 연구원으로 ATLAS 등 여러 굵직한 연구에 활발하게 참여하고 있는 저자의 이력이 빛을 발하는 대목이다.
▼ 가장 작은 것들이 가져다줄 커다란 미래에 관한 이야기
20세기에 우리는 물리학의 근본이 흔들리는 것을 목격했고, 이것이 기술에서의 혁명과 우리 삶의 변화로 이어지는 것을 확인했다. 양자역학이 반도체와 디지털 혁명의 핵심적 역할을 수행했던 것처럼, 힉스 보손도 언젠가 우리의 생활을 획기적으로 바꾸는 역할을 할지 모른다.
하지만 저자가 들려주고자 하는 것은 단지 물리학의 발전이 눈앞의 실용적 이익을 가져다준다는 이야기가 아니다. 입자물리학은 근본적으로 세상에서 가장 작은 기본 입자들을 연구함으로써 우주를 이해하려는 시도다. 이 책은 힉스 보손보다 훨씬 더 의미 있는 무언가가, 우주 전체와 우리가 몸담고 있는 이 세계에 대한 우리의 생각 자체를 완전히 뒤바꿔버릴 만한 발견이 우리 앞에 다가와 있는지도 모른다는 사실을 독자들에게 알리고자 한다. 물리학에 매혹되어 자신의 인생을 무한히 작은 것들을 연구하는 데 바친 연구자들이 오늘도 크고 작은 실험실에서 머리를 맞대고 완전히 새로운 무언가를 발견하기 위해 온 신경을 집중하고 있을 것이다. 그리고 새로운 데이터, 새로운 측정으로 우주에 대한 이해를 더욱 발전시켜 미래에 어떤 방향으로 나아가야 하는지, 근본적으로 우리가 어디서 왔는지를 탐색할 것이다. 그러므로 이 책은 가장 작은 세상에 관한 이야기인 동시에 가장 커다란 세상에 관한 이야기다.
[책속으로 이어서]
힉스 보손이 없는 우주는 텅 빈 공간 외에 달리 상상할 수 없으며, 고립된 입자들이 차갑고 어두운 암흑 속에서 서로를 쌩 하니 지나쳐 날아다닐 뿐이다. -172쪽
LHC는 둘레가 27km나 되는 괴물 같은 장치다. 양성자들은 한 다발로 묶여 터널 안으로 입장하고 원형 궤도를 따라 서로 마주보는 방향으로 날아간다. LHC는 양성자들을 시종일관 6.5TeV까지 가속시키고, 에너지를 받은 양성자들은 터널을 초당 1만 회 이상 회전한다. 일단 가속기에 실리면 양성자 다발은 약 12시간 동안 회전하며, 거대하고 강력한 자석이 양성자를 계속 회전시킨다. 자석의 개수는 총 1,232개이며, 각각의 무게는 약 35t 정도 되고 길이는 14.3m가량이다. 이 자석들로 8.3테슬라의 자기장을 유도한다. 냉장고에 붙이는 자석과 비교할 때 대략 2만 배 정도 강력한 것이다. 물론 LHC에서 냉장고 자석을 붙여 입자를 가속시키는 것은 그다지 실용적인 방법은 아닐 것이다. 이러한 자기장을 완벽하게 제어하기 위해서는 자석들이 초전도체여야 하고, 온도는 -271.25˚C로 유지되어야 한다. 이 온도는 절대영도보다 겨우 1.9˚C 높은 온도이며 우주보다도 더 차가운 온도다. -184~185쪽
중성미자는 정말로 측정하기가 어렵다. 중성미자는 질량이 없는 것 같은데, 그 말은 중성미자가 빛의
속도로 움직인다는 뜻이다. 게다가 상호작용을 일으키는 경우도 극히 드물어서 어떠한 물질이든 건드리지 않고 그대로 통과해 날아간다. 그러나 입자를 검출하고 그 특성을 알려면 입자가 상호작용을 하면서 뭔가를 때려야 한다. 중성미자의 상호작용 빈도수를 이론적으로 계산할 수 있으므로(그다지 자주는 아니다), 중성미자가 검출기를 때릴 가능성을 높이려면 검출기를 얼마나 크게 지어야 하는지도 계산할 수 있다. 그 길이는 1광년보다도 더 길어야 한다. 즉, 검출기의 길이가 지구에서 가장 가까운 항성인 알파 센타우리까지 가는 거리의 1/4정도라고 할 때, 이 검출기에 중성미자를 쏘아 넣으면 검출할 확률이 대략 50% 정도가 된다는 말이다. -220쪽
누구나 좋아하는 중성미자 이야기가 있는데, 여기에는 가속기 중성미자가 등장한다. 2011년에 중성미자가 빛의 속도보다 빠르게 여행하는 것 같다는 정황이 포착되면서, 한때 중성미자가 우주의 가장 기본적인 법칙을 깨뜨리는 게 아닐까 여겨졌던 적이 있었다. 이런 일은 1905년 아인슈타인이 특수상대성이론을 발표한 이래 불가능한 일로 간주되던 것이었다. CERN의 입자가속기는 알프스 지하를 가로질러 남쪽으로 730km 떨어진 이탈리아의 지하 연구소를 직접 겨냥해 중성미자 빔을 만들어 쏘고 있었다. 이 지하 연구소에서는 OPERA 실험(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)이 진행 중이었는데 여기에서 중성미자를 검출한 것이다. 중성미자가 빛의 속도로 이동하면 여기까지 오는 데 대략 200만분의 1초 정도가 걸리는데, 실제로는 600억분의 1초 정도 빨리 도착했다. 이게 사실이라면 이는 그야말로 혁명적인 사건이며, 현대 물리학의 뿌리를 뒤흔드는 도전과제가 될 것이었다. -223~224쪽
그렇다면 암흑물질은 무엇인가? 맨 먼저 나온 아이디어는 단순히 우리가 보지 못하는 정상물질이라는 것이었다. 매우 무겁고 상대적으로 작으며 별처럼 빛을 내지 못하는 행성이나 블랙홀이나 소행성 같은 물체로 생각했다. 이 암흑물질들이 은하계의 가장자리(헤일로)에 살고 있어야 회전 속도 곡선이나 다른 효과들을 설명할 수 있다. 그래서 헤일로를 이루는 거대 질량체(Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHOs)라는 이름이 붙었고, 약칭으로‘마초’라고 부른다. 문제는 우리가 관측한 효과를 일으키려면 이러한 마초들이 어마어마하게 많이 있어야 하는데, 은하

이 책은 이런 입자들에 관한 이야기다. 입자는 무엇인지, 어떻게 행동하는지, 그리고 우리 주위의 세계에 어떤 확률로서 존재하는지에 관한 책이다. 동시에 이 입자들은 어디에서 왔으며 모든 것은 어떻게 시작되었는지, 그리고 그 끝은 어떻게 될 것인지에 대한 책이기도 하다. 이런 의문은 인간인 우리가 던질 수 있는 가장 큰 질문이며, 그 답을 찾는 과정에서 상상했던 것보다도 훨씬 더 기이한 우주의 모습이 드러났다. 이것은 우리가 아는 것에 대한 이야기이자 모르는 것에 대한 이야기이며, 더 많은 것을 알기 위한 탐색의 여정을 담은 이야기다. 이 책은 쿼크와 렙톤, 보손과 대칭에 관한 이야기이며, 지금까지 발견된 가장 작은 물질을 연구하기 위해 벌어진 역사상 가장 거대한 실험에 관한 이야기다. -16쪽

빛알이 어떻게 힘을 전달할 수 있는지 예를 들어보겠다. 두 사람이 각자 스케이트보드 위에 서서 마주보고 있는 상황을 상상해보자. 그중 한 사람이 공을 앞으로 던지면, 그 사람은 뒤로 굴러가게 된다. 이것이 운동량 보존이다. 또 맞은편 사람이 그 공을 잡으면 그 사람 역시 굴러가는데, 이번에는 던진 공이 향하던 방향으로 굴러간다. 따라서 두 사람은 서로 마주보며 공을 던지고 받음으로써 서로 멀어지게 된다. 이것이 전자 2개가 충돌할 때 일어나는 일이다. 두 전자는 빛알을 교환하고, 서로 멀어지는 방향으로 움직인다. -36쪽

20세기에 부상한 표준모형은 큰 성공을 거두었다. 이 이론은 지금까지 우리가 측정할 수 있었던 가장 높은 에너지에서의 우주, 그리고 가장 작은 규모의 우주를 설명한다. 우리는 이곳 지구 위의 연구실에서 입자를 연구함으로써 이 같은 입자들이 오늘날 우주 저편에서 어떻게 행동하는지를 알아낼 뿐만 아니라 빅뱅 이후 수백만분의 1초도 되지 않은 순간에 무슨 일이 있었는지도 알 수 있다. 사실 이 이론은 너무나 큰 성공을 거두어서 고전물리학과 비교하고 싶은 충동마저 느껴질 정도다. 물론 표준모형은 정확한 이론이지만 몇 가지 사소한 부분이 아직 미해결된 채 남아 있다. 아마도 앞으로 실험에서 새로운 내용이 발견되면 전체 태피스트리의 올을 푸는 하나의 실마리가 될지도 모른다. -93쪽

빛알은 단순히 서로를 통과해 지나간다. 지금 내 책상 위에는 5W짜리 LED 전등이 있다. 이 전등은 특별히 밝지 않을 때에도 헤아릴 수 없을 만큼 많은 빛알을 매 초마다 방출하고 있다. 이 빛알 중 일부는 내 눈으로 직접 들어온다. 일부는 방 안을 환히 밝히고, 벽에 반사되고, 책상과 키보드에 반사되며 모든 방향으로 산란된다. 이렇게 사방으로 튕겨 다니는 빛알들은 서로 끊임없이 교차되지만, 서로를 눈치 채지 못한 채 통과해 다닌다. 내 눈에 도달하는 빛알은 어딘가에서 출발하여 수십억 개가 넘는 다른 빛알을 통과한 다음 내 눈까지 온 것이다. -106쪽

W 보손은 한 가지 놀라운 특징을 가지고 있는데, 빛알이나 글루온과는 달리 질량이 있다는 것이다. 게다가 꽤 무겁기까지 해서 양성자 질량의 약 85배에 달한다. 이것이 입자의 붕괴에 어떻게 영향을 미치는지 이해하려면, 상점이 텔레비전의 가격을 90%까지 깎아주지만 집으로 배송을 해야 한다고 생각하면 된다. 이 강제 배송비는 텔레비전의 원래 가격의 85배다. 이런 말도 안 되는 조건에서라면 거래 자체가 성립이 안 되고 판매는 급격히 중단될 것이다. 이것이 약붕괴(weak decay)에서 일어나는 일이다. W 보손은 극도로 무겁기 때문에, 붕괴가 진행되려면 이 W 보손을 만들 에너지를 어딘가에서 구해와야 한다. 다시 베타붕괴를 들여다보면, 중성자에서 시작해서 붕괴 과정 중간에 양성자와 극도로 무거운 W 보손을 얻게 되고, 수많은 질량이 난데없이 불쑥불쑥 나타나는 것 같아 보인다. 이런 반응에서, 결국 텔레비전 값을 지불할 충분한 돈, 즉 전자와 중성미자는 갖고 있었지만 배송료인 W 보손을 감당할 수 없게 된다. 베타붕괴는 불가능해진다. 약력은 약하기만 할 뿐 아니라 아예 존재하지도 않게 되는 것이다! -129쪽

힉스 메커니즘이 없다면 우주는 완전히 다른 모습이 될 것이다. 양성자의 경우, 4장에서 설명했듯이 QCD에서 쿼크를 좁은 공간 안에 구겨 넣은 효과로 질량이 생기는 것이기 때문에 힉스 메커니즘이 없어도 질량 대부분을 유지할 수 있다. 그러나 전자를 포함한 모든 기본 페르미온들은 질량 없는 입자가 될 것이다. 질량 없는 입자들은 모두 빛의 속도로 일정하게 움직인다. 따라서 빛의 속도로 움직이는 전자는 원자에 포획될 수 없다. 이렇게 되면 화학적 원소는 물론 우리가 아는 모든 생명은 존재하지 않게 된다. 그리고 무엇보다도 W 보손이 질량 없는 입자가 될 것인데, 그 말은 약력을 억제할 수 없게 된다는 뜻이다. 전자는 중성미자로 바뀌었다가 다시 전자로 바뀌는 과정을 무한히 반복할 것이다. 힉스 보손이 없는 우주는 텅 빈 공간 외에 달리 상상할 수 없으며, 고립된 입자들이 차갑고 어두운 암흑 속에서 서로를 쌩 하니 지나쳐 날아다닐 뿐이다. -172쪽

LHC는 둘레가 27km나 되는 괴물 같은 장치다. 양성자들은 한 다발로 묶여 터널 안으로 입장하고 원형 궤도를 따라 서로 마주보는 방향으로 날아간다. LHC는 양성자들을 시종일관 6.5TeV까지 가속시키고, 에너지를 받은 양성자들은 터널을 초당 1만 회 이상 회전한다. 일단 가속기에 실리면 양성자 다발은 약 12시간 동안 회전하며, 거대하고 강력한 자석이 양성자를 계속 회전시킨다. 자석의 개수는 총 1,232개이며, 각각의 무게는 약 35t 정도 되고 길이는 14.3m가량이다. 이 자석들로 8.3테슬라의 자기장을 유도한다. 냉장고에 붙이는 자석과 비교할 때 대략 2만 배 정도 강력한 것이다. 물론 LHC에서 냉장고 자석을 붙여 입자를 가속시키는 것은 그다지 실용적인 방법은 아닐 것이다. 이러한 자기장을 완벽하게 제어하기 위해서는 자석들이 초전도체여야 하고, 온도는 -271.25˚C로 유지되어야 한다. 이 온도는 절대영도보다 겨우 1.9˚C 높은 온도이며 우주보다도 더 차가운 온도다. -184~185쪽

중성미자는 정말로 측정하기가 어렵다. 중성미자는 질량이 없는 것 같은데, 그 말은 중성미자가 빛의
속도로 움직인다는 뜻이다. 게다가 상호작용을 일으키는 경우도 극히 드물어서 어떠한 물질이든 건드리지 않고 그대로 통과해 날아간다. 그러나 입자를 검출하고 그 특성을 알려면 입자가 상호작용을 하면서 뭔가를 때려야 한다. 중성미자의 상호작용 빈도수를 이론적으로 계산할 수 있으므로(그다지 자주는 아니다), 중성미자가 검출기를 때릴 가능성을 높이려면 검출기를 얼마나 크게 지어야 하는지도 계산할 수 있다. 그 길이는 1광년보다도 더 길어야 한다. 즉, 검출기의 길이가 지구에서 가장 가까운 항성인 알파 센타우리까지 가는 거리의 1/4정도라고 할 때, 이 검출기에 중성미자를 쏘아 넣으면 검출할 확률이 대략 50% 정도가 된다는 말이다. -220쪽

누구나 좋아하는 중성미자 이야기가 있는데, 여기에는 가속기 중성미자가 등장한다. 2011년에 중성미자가 빛의 속도보다 빠르게 여행하는 것 같다는 정황이 포착되면서, 한때 중성미자가 우주의 가장 기본적인 법칙을 깨뜨리는 게 아닐까 여겨졌던 적이 있었다. 이런 일은 1905년 아인슈타인이 특수상대성이론을 발표한 이래 불가능한 일로 간주되던 것이었다. CERN의 입자가속기는 알프스 지하를 가로질러 남쪽으로 730km 떨어진 이탈리아의 지하 연구소를 직접 겨냥해 중성미자 빔을 만들어 쏘고 있었다. 이 지하 연구소에서는 OPERA 실험(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)이 진행 중이었는데 여기에서 중성미자를 검출한 것이다. 중성미자가 빛의 속도로 이동하면 여기까지 오는 데 대략 200만분의 1초 정도가 걸리는데, 실제로는 600억분의 1초 정도 빨리 도착했다. 이게 사실이라면 이는 그야말로 혁명적인 사건이며, 현대 물리학의 뿌리를 뒤흔드는 도전과제가 될 것이었다. -223~224쪽

그렇다면 암흑물질은 무엇인가? 맨 먼저 나온 아이디어는 단순히 우리가 보지 못하는 정상물질이라는 것이었다. 매우 무겁고 상대적으로 작으며 별처럼 빛을 내지 못하는 행성이나 블랙홀이나 소행성 같은 물체로 생각했다. 이 암흑물질들이 은하계의 가장자리(헤일로)에 살고 있어야 회전 속도 곡선이나 다른 효과들을 설명할 수 있다. 그래서 헤일로를 이루는 거대 질량체(Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHOs)라는 이름이 붙었고, 약칭으로‘마초’라고 부른다. 문제는 우리가 관측한 효과를 일으키려면 이러한 마초들이 어마어마하게 많이 있어야 하는데, 은하계의 구조에 대해 알려진 사실을 종합해보면 마초가 그렇게 많을 수가 없다는 것이다. 마초는 답이 아니다. 암흑물질로 가장 가능성 있는 후보는 마초의 정반대인 윔프(WIMP), 즉 약하게 상호작용하는 무거운 입자(Weakly Interacting Massive Particles)다. 암흑물질은 어쩌면 완전히 새로운 유형의 입자일 수도 있으며, 표준모형 너머의 세상에 대한 첫 번째 단서일 수도 있다. -257~258쪽

저자의 노트와 감사의 말 / 7
● 입자물리의 표준모형 / 10
1장 실체의 기본 성질 / 13
2장 입자 동물원에 들어가다 / 29
3장 물질의 중심으로 / 61
4장 검출되지 않는 쿼크 / 95
5장 힘이 약하다 / 121
6장 힉스 보손 / 143
7장 가장 거대한 실험 / 173
8장 중성미자에게도 볕 들 날이 있다 / 211
9장 어둠 속으로 / 243
10장 변화는 여기에서 시작된다 / 271
11장 아름다움을 찾아서 / 295
12장 새로운 물리학 / 321
● 역자 후기 / 328
● 부록1 수 표기법 설명 / 333
● 부록2 표준모형의 대칭들 / 335
● 부록3 용어 사전 / 339
● 찾아보기 / 346