물리학과과학의미래가LHC에달려있다!
지상최대의실험LHC의전모를밝힌다
2008년9월10일인터넷과세계각국의언론은갑작스러운‘블랙홀신드롬’에휩싸였다.스위스제네바근교에있는CERN(유럽입자물리학연구소,프랑스어식으로는[세른],영어식으로는[선]이라고읽는다.)에서만들어진소형블랙홀이연구소를삼키고,제네바를삼키고,유럽을삼키고,결국지구전체를삼켜지구가멸망할지도모른다는소문이네트워크를타고전세계로확산되면서벌어진일이다.가속기실험에서만들어진블랙홀이지구를삼키는모습을담은동영상과글들이수많은인터넷게시판과블로그,그리고미디어등을달궜다.심지어인도의어떤소녀는지구가멸망한다는공포에사로잡혀자살했고,종교사원에사람들이몰려들어기도를올리기도했다.또독일튀빙겐대학교의화학교수를비롯해여러사람들이CERN의가속기실험을막아달라며유럽인권재판소등에소송을제기하기도했다.
이모든소동의출발점에바로CERN에서운용하는초대형입자가속기및충돌기인LHC(LargeHadronCollider,대형하드론충돌기)가있다.LHC는인류가만든가장큰과학실험장치이자,가장높은에너지를만들어내우주가탄생한대폭발(BigBang)직후1조분의1초에일어난일까지재현할수있는현대물리학과과학의정점에있는장치이다.아인슈타인의상대성이론과양자역학의발견으로시작된20세기초반의과학혁명에맞먹는새로운과학혁명을일으킬발견이LHC에서수년내에이루어질것으로기대되고있다.상대성이론과양자역학이인류가세계를보는방식을완전히바꿨듯이LHC역시인류의세계관과자연관을완전히바꿔줄것이다.
이번에(주)사이언스북스에서출간된이강영의《LHC,현대물리학의최전선》은국내에서전공자이외에는제대로알려지지않은LHC와,LHC의가동으로세계과학계의중심축으로우뚝선연구소인CERN의전모를소개하는책이다.원자의발견에서현대물리학이도달한‘거의모든것의이론’인입자물리학의표준모형(StandardModel)에이르기까지입자물리학의역사와,입자물리학의발전에서결정적인역할을해온유럽최대의과학연구기관이CERN의창설에서LHC까지의역사,그리고물리학자들과과학자들의관심을한몸에받고있는LHC의역사와구조와작동원리,그리고과제들을전면적으로소개하고있다.
건국대학교물리학과연구교수로재직중인저자는박사과정인1990년대중반부터CERN과인연을맺어왔다.LHC실험과현대이론물리학계의최대관심주제인힉스입자(Higgsboson,페르미온이나게이지보손에기본입장에질량을부여하는입자)를비롯,여분차원,게이지대칭성,암흑물질등현대이론물리학의최첨단분야에대한50여편의논문을발표해온현장연구자로서,현재LHC가내놓을성과에주목하고있다.LHC가현대물리학과과학의하나의도달점이자출발점인것처럼이책역시LHC와밀접하게관련된주제들에대해치밀하게연구해온한물리학자의도달점과출발점이다.
인류지적탐험의도달점이자새로운출발점이될
LHC의과거,현재,미래
인류의진보의수준을이야기하는방법은여러가지가있겠지만,지적인면에서,인류가자신이살고있는우주자체에대하여얼마나이해했는가하는것은분명히인류의진보를측정하는중요한척도라고할수있을것이다.마치콜로세움이로마에대해그랬듯이,그리고원자폭탄이20세기에대해그랬듯이적어도이순간에있어서LHC는인류문명의가장최전선에위치하는,21세기를막맞이한인류문명의상징물이될수있는존재다.-본문에서
대형하드론충돌기(LargeHadronCollider,LHC)는테라전자볼트(1조전자볼트)의세계,대폭발이후1조분의1초가지났을때의상태를연구할수있는입자가속충돌기이자인류가만든역사상가장거대한실험장치다.유럽입자물리학연구소CERN이운영하는LHC는제네바근교100미터지하,둘레27킬로미터의터널에설치되어있다.LHC는2개의양성자빔을초고속으로가속해충돌시키는장치다.이때LHC가사용하는에너지는인구40만에달하는제네바주전체가사용하는전력에맞먹는다.이고에너지충돌에서생성되는수많은입자들의궤적속에는전우주를지배하는궁극적인물리법칙에대한실마리가감춰져있다.
둘레27킬로미터의거대한가속기전체를우주공간보다낮은극저온상태로유지하는초전도기술에서빛의속도에가깝게날아가는양성자빔을극히정밀하게조종하는기술과전세계의컴퓨터네트워크를이용하는그리드컴퓨팅기술까지현대과학과기술의거대한집합체인LHC는기계의크기와출력,참가과학자의규모,실험사용기술등모든면에서지상최대의과학실험장치이자실험이다.
현재LHC는현대입자물리학의한계를넘어서는것을목적으로하는연구를수행하고있다.우주의시작과끝은무엇이고,물질과에너지의궁극적본질은무엇일까'아니,우리는어디까지알수있을까'LHC는이런근본적인물음들에길잡이를제공할것이다.
1부'데모크리토스의꿈',2부'양자장의바다에서',3부'CERN],4부'지금은LHC의시대'모두3개의부로이루어진이책은방대한정보를토대로LHC의시공간적전모를소개하고있다.짧게는원자물리학이형성되고발전해온지난100여년,길게는인류의선조인한호미니드가고개를들어하늘의해와달과별들을바라보며우주의비밀을궁리하기시작한이후의모든노력이다다른끝에LHC가있다.고대그리스의데모크리토스에서원자보다더작은기본입자의세계에서양자의요동을탐험하는현대과학자까지궁극적물음을탐구하는사람들과그들이만든기계를살피는이책은새로운앎의우주로독자들을안내할것이다.
신의입자를찾는사람들의이야기
입자물리학의미래는LHC에달려있다.앞으로LHC가가동될수십년동안은LHC를중심으로입자물리학의모든것이돌아갈수밖에없다.LHC는우주와물질을이해하는데있어서지금우리가해결하지못한문제점들에해답을주고,우리가알지못하는세계를보여줄것이다.지금까지도여러우여곡절이있었고,아마도앞으로도또있을테지만이는인류가신천지에발을디디는데따르는당연한진통일따름이다.인간은자신의지성으로우주를이해하는일을멈추지않을것이며그기나긴과정에서LHC는커다란약진,하나의이정표가되어줄것이다.이제LHC의시간이시작되었다.-본문에서
1부'데모크리토스의꿈'에서는고대그리스철학자데모크리토스에서시작된원자(더쪼갤수없는존재로우주를이루는가장기본적인존재)를찾는모험에대해설명한다.세상을이루는것은원자와빈공간이라고처음주장한데모크리토스의원자론이19세기초반화학자존돌턴을통해근대원자론으로재탄생하고,이론적,실험적발견의축적을통해19세기와20세기초양성자와중성자와전자로원자를설명하는원자물리학으로발전하고,이것이다시양성자와중성자를이루는쿼크와글루온의상호작용으로세상의근본요소를설명하는입자물리학으로발전하는과정을유려하게설명한다.과학기술이발전하고실험기술이개량될수록19세기까지는종점이라고여겨졌던원자에서더많은새입자들이튀어나오는입자의홍수속에서더보편적이고,더근본적인것을찾아온뢴트겐과마리퀴리에서리처드파인만과머리겔만까지수많은자연과학자들의노력을흥미진진하게소개하고있다.
2부'양자장의바다에서'에서는국내교양과학서에서는잘소개되지않은현대입자물리학의표준모형과그근간이되는게이지이론(게이지양자장이론)이소개되어있다.양자역학이하이젠베르크와슈뢰딩거에의해정초된이후,발전하면서봉착한이론내적인문제들과우주선실험과가속기실험에서쏟아져나온정체불명의입자들이안겨준숱한문제들을양자전기역학,양자색역학,게이지이론,입자물리학의표준모형으로어떻게넘어섰는지알기쉽게보여주고있다.천재물리학자의상징과도같은존재로소개되어있는리처드파인만이실제로이룬업적이무엇인지,천재물리학자들이추상적이고난해한문제들에봉착했을때사용하는사고법이무엇인지,우리나라에는원자폭탄개발자로잘못알려지기도했던이휘소가실제로는원자폭탄의개발따위보다더큰공헌을물리학과인류지성사에했음을덤으로읽을수있다.
3부'CERN'에서는제2차세계대전으로붕괴된유럽과학계를되살리고,유럽공동체의기틀이되었으며,물리학의발전에지대한역할을한CERN의역사를다룬다.읽는법조차,그번역어조차정체불명인CERN의반백년사를생생하게만날수있다.전세계를휩쓴초대형베스트셀러인댄브라운의''천사와악마''에반물질을생산한연구소로잠깐등장해대중의관심을끈바있는CERN의역사를CERN이운영해온여러가속기는물론,그가속기들이거둔과학적업적들을1부와2부와밀접하게연관시켜서해설해줄뿐만아니라,노벨상수상자가발에차이는곳이자월드와이드웹(WWW)탄생지이기도한CERN의이모저모를현장연구자만이가능한시선으로생생하게보여준다.또한소설과대중문화속에서왜곡된CERN과현대물리학의이모저모를바로잡아준다.(심지어LHC라는이름을가진여성록밴드에대한소개도들어있다.)
4부'지금은LHC의시대'는이책의진정한주인공인LHC의전모를소개한다.LHC가처음제안되었을때와1992년처음계획이시작되었을때부터둘레27킬로미터지하100미터의지하터널에에펠탐보다무거운검출기와우주공간보다춥고,진공도가높은가속기튜브를설치하는건설과정까지,건설이후2008년9월10일첫가동과바로이어진사고,그리고재가동과목표충돌에너지였던7테라전자볼트(7조전자볼트)양성자빔충돌실험성공까지의과정을생생하게들려준다.또한LHC가본격적으로탐구하게될힉스입자의존재여부,3차원이상의공간차원을찾는여분차원연구,우주를지배하는암흑물질과암흑에너지의정체를규명하는연구,입자물리학의궁극적인벽이될지도모를미니블랙홀연구에대해상세하게소개하고있어,현대물리학의최전선이무엇인지조감할수있게해준다.
또한LHC프로젝트에참여하고있는한국과학자들의동향도소개하고있어국내독자로하여금한층LHC에친근하게접근할수있게해준다.또한무수히나오는영문약자에대한해설과LHC/CERN의역사는물론물리학의역사를개괄할수있는연표가첨부되어있어독자들의이해를돕는다.
608쪽에이르는텍스트정보와172컷의도판자료로가득한이책은LHC는단순히거대하기만한기계가아니다.우주와세계전체를지배하는궁극적인법칙,가장본질적인입자,가히신의입자라할존재를찾기위해수천년의시간동안노력해온사람들의이야기이기도하다.우리가LHC에서발견되리라고기대하는입자들(힉스입자나암흑물질의실체가되는입자들)이LHC에서결국발견되지않는다면우리가거의모든것의이론이라고믿어온입자물리학의표준모형을비롯한20세기물리학이이룩해온성과의거의대부분을폐기해야한다.그렇다고해서LHC가물리학과과학의,또는이성의묘비가되는것은아니다.우리가알지못하는게무엇인지,또는우리가알아야만하는것이무엇인지에대한이정표가될것이다.물리학자들은LHC의실험결과에서좌절하지않고새로운탐험의의지를불태울것이다.
이것이바로아시아의한구석,입자물리학을비롯한기초과학연구를경시하는대한민국에서입자물리학이라는궁극적으로추상적인학문을연구하는한물리학자가이책에서전하고자하는메시지인것이다.저자는'책을시작하며'에서이렇게이야기한다.
현대의입자물리학자들은행운의시대에살고있는지도모른다.LHC를통해입자물리학은새로운지평으로넘어갈것이기때문이다.입자물리학자로산다는것은,우주의시작과끝,물질의근원,시간과공간의본질같은가장근본적인질문들을고민하며산다는것은그무엇과도비교할수없는특별한일이다.그리고LHC를통해그런중요한질문들의대답을볼수있다는것은말로표현할수없는커다란행운이라고생각한다.그런점에서,나는1967년노벨상수상자인조지월드(GeorgeWald)가“과학자란인간의가장행복한상태일것이다.”라고한말을완벽히
