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파이온에서 힉스 입자까지 - 가속기에서 발견된 입자들 (살림지식총서 448)
이강영 지음 | 2013년 2월 5일
브랜드 : 살림지식총서
쪽수 : 112 쪽
가격 : 4,800 원
책크기 : 120*190
ISBN : 978-89-522-2308-1-04080
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우주 탄생과 물질의 근본을 이해하기 위한 긴 여정
입자물리학의 눈으로 ‘보이지 않는 세계’를 들여다 보다
전문가나 전공자가 아니라면 ‘입자물리학’이라는 학문이 무엇을 연구하는 분야인지 선뜻 파악하기는 어렵다. 하지만 누구나 한번쯤 ‘우주는 어디에서 시작됐을까?’ ‘물질의 근본은 어디일까?’와 같은 의문을 품어본 적은 있지 않을까? 물질과 에너지의 궁극적 본질에 다가서면 다가설수록 우주의 근원을 이해하는 일도 쉬워진다고 한다. 이 책 [파이온에서 힉스 입자까지-가속기에서 발견된 입자들]은 바로 이러한 질문들의 해답을 찾기 위해 애쓰는 물리학자들의 긴 여정을 담고 있다.
물론 아무도 가보지 못한 세계로의 여행이다 보니 이 심오한 지적 여행은 ‘탐험’이나 ‘도전’에 더 가깝다. 또 이 과정에는 스스로 만들고 풀어야 할 많은 이론과 공식들이 난무하며 단 하나의 가설을 증명하기 위해 무수한 세월을 인내하는 수고까지 더해야 한다. 그런데 이 무모해 보이는 탐험에 우리가 주목하고 찬사를 보내게 되는 건 무엇 때문일까? 우주의 시작이나 물질의 근본에 대한 궁극적인 해답을 얻는 일보다 그곳의 가닿기까지 우리 인류가 걷고 있는 여정이 눈물 나게 드라마틱하기 때문은 아닐까?
우주의 시작과 끝이 무엇인지 밝혀보기 위해 세대를 거듭하며 희망의 끈을 이어가는 물리학자들의 이야기. 물질의 기본입자에 대한 더 근본적인 원리를 탐구하는 일에 참여하게 된 것을 ‘큰 행복’이라 여긴다는 저자의 말이 긴 여운을 남긴다.
E=mc2
가속기의 탄생
중성 파이온 - 가속기에서 발견된 첫 입자
반양성자
오메가 바리온
참 쿼크
W와 Z
톱 쿼크
힉스 보존
완전한 빈 공간이란 무엇일까? 물질이 없으면 완전한 빈 공간일까? 만약 그렇다면 우리가 보는 세상의 대부분은 빈 공간이어야 한다. 물질을 이루는 원자는 ‘원자핵’과 ‘전자’로 이루어져 있는데, 원자핵의 크기는 원자의 1만분의 1쯤 되고 전자는 그보다 훨씬 더 작다. 즉, 양성자가 축구공 크기라면 원자는 여의도만 한 것이다. 그러므로 단순히 크기만 가지고 이야기한다면 원자의 속은 사실 대부분 텅 빈 공간이라 할 수 있다. 원자의 내부가 거의 빈 공간이라면 원자로 이루어진 모든 물질이 사실 거의 모두 빈 공간인 셈이다. 그렇다면 실제 우리가 보고 만지고 느끼는 것들은 다 무엇일까? _pp.3~4

가속기는 발전을 거듭하고 있었다. 사이클로트론은 분명 놀라운 장치였으나 에너지가 높아짐에 따라 문제가 나타났다. 우선 드러나는 문제는 입자가 가속될수록 회전 반경이 급격히 커지기 때문에 기계가 엄청나게 커져야 한다는 점이었다. 사이클로트론은 전체가 일정한 크기의 자기장 속에 들어가 있어야 하므로 사이클로트론이 커지면 자석도 따라서 커져야 한다. 자석이 커지면 무게가 엄청나게 늘어나야 하고, 비용을 비롯해 여러 가지 문제가 생겨난다. 보다 중요하고 근본적인 문제는 한스 베테가 지적한 상대성 이론의 효과였다. _p.34

루비아는 SPS 가속기를 충돌장치로 개조하는 한편 충돌현상을 관찰할 검출기 실험팀을 구성했다. 실험팀의 코드네임은 UA1이었고, 여기서 UA는 지하구역(Underground Area)을 의미했다. 충돌실험은 SPS 가속기 내에서 일어나야 하므로 가속기가 위치한 지하에 검출기를 설치하기 위해 거대한 공동을 만들어야 하기 때문이었다. 검출기가 거대한 만큼 실험팀의 규모도 거대했다. 실험팀은 CERN을 비롯해 독일의 아헨공대, 프랑스의 꼴레쥬 드 프랑스, 새클레이, 영국의 러더퍼드 연구소와 버밍험 대학, 이탈리아의 로마 대학, 오스트리아의 빈 대학과 미국의 위스콘신 대학 등 전 세계 13개 연구소에서 온 130여 명의 물리학자로 구성되었다. 당시에는 보기 어려울 만큼 거대한 규모였다. UA1은 1978년 6월 29일 CERN의 회의에서 정식으로 승인되었다. _p.76

1975년 스탠퍼드 대학의 마틴 펄(Martin Lewis Perl)이 전자와 뮤온에 이어 세 번째 렙톤을 발견했다. 그렇다면 다시 표준모형의 구조가 유지되기 위해서는 세 번째 중성미자와 다섯 번째와 여섯 번째의 쿼크가 있어서 세 번째 세트를 완성해야 한다. 놀랍게도 1977년 페르미 연구소의 레더만이 다섯 번째 쿼크를 발견했다. 이로써 표준모형의 구조는 여전히 훌륭하게 성립하고 있으며 쿼크에도 세 번째 세트가 있는 것이 확실해 보였다. 이제 여섯 번째 쿼크를 찾아 세 번째 세트를 완성해야 할 때다. 펄이 발견한 세 번째 렙톤의 이름은 ‘3’을 뜻하는 그리스어의 첫 글자를 따 ‘타우(tau)’가 되었다. 다섯 번째 쿼크의 이름은 ‘보텀(bottom)’으로 지어졌고, 그와 짝을 이룰 여섯 번째 쿼크는 자연스럽게 ‘톱(top)’ 쿼크가 되었다. _p.85