세상 모든 것의 물질 : 보이지 않는 세계를 발견하다

수지시히

저자:수지시히(SuzieSheehy)

물리학자이자과학커뮤니케이터로서,옥스퍼드대학교와멜버른대학교의연구그룹을오가며연구를하고있다.현재그녀는의학응용을위한새로운입자가속기개발에주력중이며,이책이그녀의첫저서이다.



역자:노승영(盧承英)

서울대학교영어영문학과를졸업하고,서울대학교대학원인지과학협동과정을수료했다.컴퓨터회사에서번역프로그램을만들었으며환경단체에서일했다.“내가깨끗해질수록세상이더러워진다”라고생각한다.옮긴책으로『오늘의법칙』,『휴먼해킹』,『우리몸오류보고서』,『약속의땅』,『시간과물에대하여』,『천재의지도』,『바나나제국의몰락』,『트랜스휴머니즘』,『그림자노동』등이있다.홈페이지(http://socoop.net)에서그동안작업한책들에대한정보와정오표를볼수있다.

들어가는말

제1부고전물리학을허물다
1음극선관:X선과전자
2금박실험:원자의구조
3광전효과:광양자

제2부원자너머의물질
4안개상자:우주선과새입자들의소나기
5최초의입자가속기:원자를쪼개다
6사이클로트론:인공방사능의생성
7싱크로트론방사광:뜻밖의빛이밝혀지다

제3부표준모형과그이후
8입자물리학이확장되다:신기한공명
9메가검출기:신출귀몰중성미자를찾아서
10선형가속기:쿼크의발견
11테바트론:3세대물질
12대형강입자충돌기:힉스보손과그이후
13미래의실험

감사의글
주
역자후기
인명색인

“나의죽음을보았어”
원자를넘어입자의세계로

우리에게X선촬영은너무나친숙하다.그러나우리가우리몸의내부를들여다보고공항에서보안검색을받고거대한물건을분해하지않고도그속을알수있는것은모두뢴트겐이X선의발견에특허를신청하지않고모든사람에게공개한덕분이다.음극선관을연구하던뢴트겐은실험실에서음극선관과멀리떨어진곳에서빛이난다는사실을우연히발견했고,그빛의정체를진정으로몰랐기에X선이라는이름이붙여졌다.X선이발견되면서과학자들은원자안에무엇인가다른것이있다는생각을하기시작했다.영국의물리학자톰슨은음극선관안에서벌어지는현상에주목함으로써최초의아원자입자인전자의존재를확인했다.그렇다면수천년간더이상나눌수없는물질이었던원자의내부구조는과연어떻게생겼을까?어니스트러더퍼드는그다음배턴을받아서금박에알파입자를쏘는실험을통해원자가원자핵과전자로이루어져있으며,원자핵은극히작고나머지는빈공간임을밝혀냈다.이로써원자를바라보는관점을영구히바꿨을뿐만아니라우주를바라보는관점역시완전히뒤바꿨다.다음으로는빛의본성을알아내기위한영의이중슬릿실험은빛이파동임을보여주었으나,때로빛은입자처럼행동하는듯했다.아인슈타인은빛이광자라고부르는것으로이루어져있으며광자를통해서광전효과가일어난다고주장했다.시카고대학교의로버트밀리컨은아인슈타인의이론을반박하기위해서12년간진공상태의금속에빛을비추는실험을진행했으나,결과는빛이입자라는아인슈타인의이론을입증하고야말았다.양자역학이라는기이하면서도놀라운이론을확증한것이다.

우주에서쏟아지는입자들
고에너지를달성하기위한과학자들의경쟁

방사선을검출할수있는장비인검전기를가지게된1900년대초반,과학자들은검전기에서검출되는여분의방사선에주목했다.이것들은도대체어디에서오는것일까?그정체를밝히기위해서과학자들은열기구를타고하늘로올라가기도하고땅속을파고들기도했다.결론은그것이우주에서온다는것이었다.우주선(cosmicray)의존재가확인되었으니그것을볼수있는도구가필요했고,찰스윌슨은스코틀랜드고지대의구름에서착안하여안개상자를개발했다.우주에서오는입자들의자취를우리의눈으로확인할수있게되면서새로운입자들―양전자,뮤온,중간자―이계속발견되었다.더나아가과학자들은실험실에서새로운입자를연구하기위해서최초의입자가속기를개발하여원하는대로원자를쪼개며더깊이연구할수있게되었다.어니스트로런스는입자를가속하는새로운방법을고안하여인공방사능을유도생성할수있는사이클로트론을개발했다.사이클로트론은과학연구뿐만아니라의학에도엄청난영향을미쳤는데,바로방사선으로암을치료하는길을연것이다.사이클로트론보다더고에너지로입자를가속할수있는싱크로트론은입자물리학뿐아니라기초과학에도엄청난혁신을가져왔다.하나의예를들면,코로나19가처음출현했을당시에싱크로트론방사광을토대로재빨리바이러스의염기서열과바이러스를구성하는단백질의물리적구조를밝힘으로써백신개발을위한길이열렸다.

3세대입자들의발견
초거대과학을위한전세계과학자들의협동

입자가속기의발전이거듭되어원형이아닌선형가속기,빔의속도를테라규모까지올릴수있는테바트론,길이가27킬로미터에달하는대형강입자충돌기가개발되기에이르렀다.이런가속기들을통해서쿼크뿐만아니라“신의입자”라고일컬어지며오랫동안과학자들이염원해온힉스보손까지새로운입자들이계속해서발견되었다.그러나이런입자들의발견뒤에는실험물리학자들의엄청난노고가숨어있다.1900년대초과학자들은방사성붕괴가운데베타붕괴의수수께끼를해결하기위해서새로운입자인중성미자의존재를예측했으나,실제로이를검출하는과정은엄청난과업의연속이었다.1950년대프레드라이너스는20년간방치된중성미자발견에나섰다.그는우선중성미자를발견할가능성이높은핵반응로옆에검출장비를설치해야했다.방사선을차단하기위해서연구진은파라핀납으로직접벽돌을만들어날라야했고,중성미자를검출할섬광체의액체의온도를16도이상으로유지하기위해서장비에히터를틀어놓았으나그전기료를감당할수없어자신들은추위에떨어야했다.그러고도우주로부터오는우주선의영향을차단하기위해서다시실험장비들을땅속으로옮겨야했다.그렇게핵반응로가켜져있던900시간과꺼져있던200시간동안의데이터를모으고또모아마침내중성미자를검출할수있었다.

무엇이과학자들로하여금이모든노고를감내하게했을까?1969년로버트윌슨은미국의회에출석하여2억5,000만달러예산의가속기인테바트론사업을승인해달라고요청했다.그자리에서이가속기가어떤쓰임새가있느냐고상원의원이묻자,그는가속기가국방에는쓸모가없다고하면서“그것은오로지국가를방어할만한가치가있는곳으로만드는것과만관계가있습니다”라고답했다.이제과학은한개인이나단체,국가의손을넘어초거대과학이되었고,전세계의과학자들이합동연구를진행하고있다.유럽입자물리연구소(CERN)는이런사실을분명하게보여준다.몇년전까지만해도서로전쟁을벌이던서유럽12개국이1954년에평화를위한과학연구소설립을위해서힘을합친것이다.2008년에25년간의공사끝에드디어CERN의대형강입자충돌기가가동에들어갔고,2012년마침내힉스보손을발견했다.CERN의충돌기연구에는대략110개국,무려입자물리학자1만3,000명중절반가량이관여했다.CERN의공동연구에대한이념을가장잘보여주는것이바로월드와이드웹(www)이다.CERN의충돌기에서나오는방대한정보를관리하고이를전세계의모두가공유할수있도록하기위해서개발된월드와이드웹은CERN의이념에따라모두에게공개되었고,지금의인터넷이탄생할수있었다.

이책은입자물리학의여정을열두번의실험을중심으로실험물리학자들의성공과실패그리고경쟁과협동을짜임새있게엮으며한편의드라마로펼쳐낸다.이론적인설명뿐만아니라과학적발견이어떻게우리의실제삶을변화시켜왔는지를생생한사례들을통해서담아낸이책은우리눈에보이지않는입자물리학의세계를흥미롭게소개한다.