서적소개
힉스 입자 그리고 그 너머
리언 M. 레더먼, 크리스토퍼 T. 힐 / Gbrain (지브레인) / 2018.3.27
- 아주 오랫동안 힉스 입자를 연구한 리언 레더먼이 들려주는 힉스 입자 이야기! 힉스 입자의 시작과 증명 그리고 새롭게 시작되는 힉스 입자의 미래! : 아! 그렇게 많은 입자들이 있는 줄 알았다면 나는 식물학자가 되었을 것이다
1950년대 프린스턴에서 점심을 먹으며 새로 발견된 입자에 대해 설명하는 동료에게 아인슈타인이 농담으로 한 말이다.
그 당시 ‘스트레인지’라고 불리던 이 입자는 현재 ‘ 스트레인지 쿼크’로 이루어진 입자로 알려져 있다.
원자핵에서 발견된 강한상호작용을 하는 핵입자에 대한 연구는 1950년대에서 1970년대 사이에 이루어졌다. 오늘날 다시 프린스턴에서 아인슈타인 교수와 점심 식사를 하며 새로운 입자에 대해 말하게 된다면 어떤 이야기를 해야 할까?
그것은 수십억 달러짜리 질문이며, 이 책의 주제인 힉스 입자 또는 신의 입자에 대한 이야기일 것이다.
힉스 입자 그 너머에는 그 힉스 입자에 대한 이야기가 실려 있다. 그리고 그 안에서 우리는 아인슈타인에게 어떻게든 설명할 수 있는 이론을 만나게 될 것이다. 그런데 사실 이 책을 읽는 대부분의 사람들은 물리학자가 아니다. 따라서 <힉스 입자 그리고 그 너머>에서는 힉스 입자가 무엇이며 왜 필요한지를 설명하고 무엇을 의미하는지 물리학자가 아닌 사람들도 이해할 수 있는 쉬운 말로 명확하게 소개하며 그 너머에 있을지도 모르는 것에 연결할 수 있는 그 무엇인가를 설명하고 있다.
이 책의 저자 중 한 사람인 노벨상 수상자 리온 레더먼과 공동 저자 딕 테레시는 힉스 입자에 ‘신의 입자’라는 시적인 이름을 붙였다. ‘신의 입자’는 큰 의미를 부여하지 않고 힉스 입자에 붙인 이름이었지만 사람들의 마음을 사로잡았고, 《뉴욕 타임스》에서 《슈피겔》에 이르기까지 그리고 《예루살렘 포스트》에서 《파키스탄 크로니클》에 이르기까지 입자물리학의 최신 발전을 다룬 모든 저널에서 사용하게 되었다.
실제로 ‘신의 입자’라는 말은 사람들의 호기심을 불러일으켰다. 이 말은 단지 문학적인 표현에 불과했지만 많은 사람들은 특정한 입자에 심오한 종교적 중요성을 부여하는 것으로 생각하게 되었다.
과학자들은 힉스 입자가 자연의 새로운 영역으로 들어가는 입구이며, 새로운 퍼즐과 완전하고 급진적인 새로운 것의 시작점이라고 이야기한다. 여러분은 이제 ‘신의 입자’라는 말 대신 힉스 입자의 근원과 시작에 대해 자세히 알게 될 것이다. 그리고 우리가 실제로 하려는 일과 여러 가지 면에서 우리가 성공적으로 하고 있는 일에 대하여 이야기하고, LHC를 이용해 우리가 이루어낼 수 있는 일과 우리가 미래에 하고 싶은 일과 해야 할 일에 대해 알게 될 것이다. 과학자들은 물질로서나 아이디어로서 힉스 입자 너머를 바라보고 있다. 힉스 입자를 손에 넣은 물리학자들은 이제 자연이 기본 패턴과 기본 입자의 성질을 만들어내는 방법에 대한 새로운 통찰력을 가지게 되었다. 그리고 또한 새롭고 강력한 물리적 세상에 남아 있는 신비한 퍼즐을 이해하는 새롭고 강력한 방법을 가지게 되었다. 노벨 물리학상 수상자이자 오랫동안 힉스 입자를 연구해온 리언 레더먼이 소개하는 힉스 입자의 세계를 만나보자!
○ 목차
역자의 말 6
감사의 말 8
1장 서언 ㆍ 13
년대의 아이러니 15 역사상 최대의 ‘외부 입력’ 17 지도자의 역할: 미국 의회 19
그것은 회복 가능한가? 22 국왕 만세 24 거대한 융합 27
세계 최대 입자 충돌가속기를 작동하는 것은 쉽지 않다 31 오, $%&#! 33
아! 그렇게 많은 입자들이 있는 줄 알았다면 나는 식물학자가 되었을 것이다 35
이름 안에 무엇이 들어 있는가? 37
2장 위대한 질문의 간단한 역사 ㆍ41
‘양파 같은 물리학’이라는 비유 48 간단한 가정-발효 실험 50 원자 내부 들여다보기 53
원자를 통해 생각하기 56 양자 파동과 우주선 58
신비는 깊어졌다: 원자핵을 결합시키는 것은 무엇일까? 60
3장 누가 이것을 주문했지? ㆍ63
천덕꾸러기 뮤온 66 뮤온은 자연의 완전한 자이로스코프이다 69
패리티 72 패리티 비보존성 발견에 대한 개인적 회상 77
4장 질량에 대한 모든 것 ㆍ89
질량이란 무엇인가? 90 질량은 물질의 양을 나타낸다 91 질량은 무게가 아니다 92
질량 측정은 어렵다 94 질량은 에너지가 아니다 96 상대론적 에너지 100
그렇다면 질량은 무엇인가? 101
5장 현미경 아래 놓인 질량 ㆍ103
소립자의 질량 104 질량이 없다 106 질량 없는 곳에서의 대칭성 110 양자 영역 112
질량에 대한 양자적 아이디어의 등장 114 진공 안에 모든 것이 있다 115
어떻게 진공에서 탈출할 수 있을까? 116 입자의 유토피아 117 시공간에서의 운동 124
빛 속도에서의 뮤온 127 카이럴리티 129 카이럴리티를 가지는 시공간의 그림 130
자연의 힘은 카이럴리티를 알고 있다 133 뮤온에 질량 돌려주기 135 잠깐만! 138
6장 약한상호작용과 힉스 입자 ㆍ140
약한상호작용 142 약한상호작용은 어떻게 작용하는가? 144 이제 마지막 고비만 남았다 149 스 입자로 들어가기 153 그러나 질량은 무엇인가? 154 힉스 진공 156 잠시 쉬어가자 162
7장 현미경에서 입자가속기로 ㆍ163
현미경 165 기술적 도전 168 어떻게 작동하는가? 170 빛을 이용하지 않는 현미경! 173
입자가속기 176 전기장이 하전 입자를 가속시킨다 177 전자현미경 180
8장 세계에서 가장 강력한 입자가속기ㆍ 184
선형가속기 185 SCRFs: 수십억 달러의 경제적 효과를 가져올 다음 주자는? 189
자기장은 입자를 원운동하도록 한다 190 전류가 자기장을 만든다 192 사이클로트론 194
싱크로트론 195 자기렌즈 197 세계의 위대한 충돌가속기들 198 LEP 충돌가속기 200 LHC 202
입자 검출 장치들 204 LHC 다음에는? 205
9장 드문 반응 ㆍ 209
입자물리학의 전주곡 209 새벽을 연 첫 빛줄기 210 영감 212 러더퍼드의 방사능 214 반물질 215 베타붕괴: 가장 간단한약한상호작용 221 그들은 충돌가속기 없이 그것을 했다? 224
드물고 약한 반응 225 또 다른 거울 228 CPT 230 거울을 조합하면 집으로 돌아갈 수 있을까? 233
10장 중성미자 ㆍ 235
가장 작은 질량을 가지고 있는 입자들 238 중성미자 CP 대칭성 붕괴 243
긴 출발선 244 중성미자를 현미경 아래 놓기 246
11장 프로젝트 X ㆍ 249
패르미 연구소의 프로젝트 X 250 프로젝트 X 중성미자 실험 253
드문 케이온 과정과 CP 대칭성 붕괴 254 드문 뮤온 반응: 뮤온에서 전자로의 전환 256
프로젝트 X; 드문 동위원소를 이용한 전기 쌍극자 측정 257
플루토늄의 세계에 올라타 무한 청정에너지 제공하기: 가속기로 가동되는 저임계 원자로 260
프로젝트 X 너머: 차세대 충돌가속기 262
문: 어떻게 스타십을 건설할 것인가? 답: 처음부터 시작해야 한다 264
12장 힉스 입자 너머 ㆍ265
큰 과학에 대한 혼란 266 다른 학문 분야와의 연관성 268 건강하지 않은 부유한 상태 270
힉스 입자는 어떻게 질량을 가지게 될까? 271 맺는말 273
부록 ㆍ 275
강한상호작용 275 너무 많은 기본 입자들 276 쿼크와 렙톤층 277
오늘날: 쿼크, 렙톤 그리고 보존의 주기성 280 스핀 287 교환 대칭성 290 보존 291 페르미온 292 게이지 대칭성 294 양-밀스 게이지 이론 298 약력과 게이지 이론 300
찾아보기 303
○ 저자소개 : 리언 M. 레더먼, 크리스토퍼 T. 힐
– 저자: 리언 M. 레더먼
입자물리학자이자 실험물리학자로 1951년에 컬럼비아대학교에서 물리학 박사학위를, 1958년부터 1979년까지 같은 대학의 교수로 재직했다.
미국 브룩헤이븐 연구소에서 중성미자에 대한 연구를 했으며, 1979년부터 1989년까지 페르미 연구소 소장을 지냈다.
1988년 ‘뮤온 중성미자의 발견을 통한 중성미자 빔 방법과 렙톤의 이중구조 규명’에 대한 공로로 멜빈 슈워츠, 잭 스타인버거와 함께 노벨 물리학상을 수상했다.
1986년 과학 영재학교인 일리노이 수학 과학 아카데미를 설립했으며 2012년부터 명예 상근 과학자로 재직 중이다.
2015년에는 노벨상 메달을 경매에 올려 화제가 됐다.
저서로는 《힉스 입자 그리고 그 너머》 《시인을 위한 양자물리학》 《대칭과 아름다운 우주》 등이 있다.
– 저자: 크리스토퍼 T. 힐
페르미 국립가속기연구소 이론물리학과의 의장이며 미국 물리학협회 회원이다.
힉스 매커니즘에 의한 대칭 깨짐 이론에 공헌했으며 리언 레더먼과 함께 물리학에 관한 다양한 책들을 집필하고 있다.
– 역자: 곽영직
서울대 물리학과와 미국 켄터키 대학원을 졸업했다. 1985년부터 2017년까지 수원대학교 물리학과 교수로 재직했으며, 2006년부터 2011년까지 자연대학장, 2012년부터 2015년까지 대학원장을 역임했다.
저서로 《자연과학의 역사》 《물리학의 세계》 《물리학이 즐겁다》 《교양 과학 고전》 《양자역학으로 이해하는 원자의 세계》 《열과 엔트로피》 등이 있다.
역서로 《빅뱅 이전》 《오리진》 《즐거운 물리학》 《한권으로 끝내는 물리》 《한 권으로 끝내는 과학》 《손안의 인피니티》 《한 권으로 끝내는 화학》 《빅퀘스천 118 원소》 《누구나 알아야 할 모든 것 발명품》 《빅퀘스천 과학》 등이 있다.
○ 책 속으로
- 역자의 말
자연과학의 영원한 주제는 물질, 우주 그리고 생명이다. 2500년 전 고대 그리스의 자연철학자들이 자연과학을 처음 시작할 때 가장 먼저 답을 찾고자 했던 의문은 물질은 무엇으로 이루어져 있으며 어떻게 상호작용할까 하는 것이었다. 그 후 2500년 동안 인류는 물질의 구성 요소와 이들 사이의 상호작용에 대해 참으로 많은 것을 알아냈다. 그렇다면 물질의 구조와 이들 사이의 상호작용을 연구하는 과학자들은 지금 어디쯤에서 어떤 문제를 해결하기 위해 연구에 몰두하고 있을까? 물질의 근원을 밝히기 위한 전선의 최전방은 어디이며 그곳에서는 지금 어떤 일들이 벌어지고 있을까?
물질의 근원을 밝혀내기 위한 전선의 최전방에서 오랫동안 연구해온 이 책의 저자들은 이런 질문에 가장 확실한 대답을 해줄 수 있는 사람들이다. 오랫동안 세계 최대 입자 가속기의 자리를 차지하고 있던 미국 페르미 연구소의 테바트론 가속기를 이용한 연구에서 핵심 역할을 해온 저자들은 지난 수십 년 동안 입자물리학 분야에서 일어난 일들을 몸소 체험한 사람들이며 연구 성과를 누구보다 정확하게 이해하고 있는 사람들이다. 특히 저자 중의 한 사람인 리언 레더먼은 1960년에서 1962년 사이에 브룩헤이븐 국립가속기 연구소에서 뮤온 중성미자를 발견하여 1988년 노벨물리학상을 수상했으며, 1976년에는 페르미 연구소에서 b쿼크를 발견하는 등 오랫동안 입자물리학 연구의 중심에 있던 사람이다. 이 책에는 저자들이 페르미 연구소의 테바트론 가속기를 이용해 이룩한 연구 성과와 함께 유럽에 설치된 LHC를 이용하여 얻어낸 연구 결과가 자세하게 설명되어 있다. 그런 설명에는 힉스 입자의 발견 과정과 힉스 입자가 어떤 입자인지에 대한 설명이 중심을 이루고 있다.
그러나 독자들이 이 책을 통해 알게 될 더 중요한 내용은 앞으로의 입자물리학 분야의 연구가 어떤 방향으로 나갈지에 대한 방향을 예측하고, 세계 최대 입자 가속기를 가지고 있지 않은 나라에서 어떤 연구를 해야 하는지에 대한 것이다. 입자 물리학 분야에서는 거대한 가속기를 이용하여 만들어내는 큰 에너지를 가진 입자로 할 수 있는 연구가 있는가 하면 에너지가 작은 많은 입자를 이용하여 할 수 있는 연구도 있다. 이 책의 마지막 세 장에서 다룬 차세대 입자물리 연구에 대한 소개는 입자물리학을 연구하고 있는 학자들은 물론 물리학에 관심을 가지고 있는 일반인들에게도 앞으로의 연구 방향에 대한 참신한 아이디어를 제공해줄 것이다.
입자물리학의 최전선에서 어떤 일이 일어나고 있는지를 자세하게 알 수 있도록 한 이 책을 번역하게 된 것은 역자에게도 큰 즐거움이었다. 연구에 직접 참여했던 사람에게서 자세한 설명을 듣는 것만큼 확실한 정보는 없기 때문이다. 좋은 책을 번역할 수 있도록 해준 지브레인의 김지영 사장님과 김현주 편집장님께 감사드린다. 특히 항상 좋은 과학책을 만들기 위해 애쓰는 김현주 편집장님은 이 책의 번역과 출판을 위해서도 서울과 수원을 몇 번이나 오가야 했으며 꼼꼼한 교정을 위해 어려운 과학 공부를 새로 해야 했다. 내년에는 LHC의 재가동과 함께 출판계에도 활기가 돌아 책을 만드는 분들의 시름이 줄어들기를 기대해 본다. _ 옮긴이 곽영직
- 감사의 말
우리는 이 책을 만들기 위해 노력했고, 이 책보다 먼저 출판된 《대칭적이고 아름다운 우주》와 《시인을 위한 양자물리학》에서 뛰어난 편집 능력을 보여주었던 편집자 린다 그린스펀 리건 Linda Greenspan Regan에게 감사드린다. 또 이 책을 완성하기 위해 수많은 시간을 정신없이 보낸 줄리아 드그라프, 질 맥식, 브라이언 맥마흔, 스티븐 . 미첼, 그레이스 .콘티질스버거에게도 감사의 말을 전한다. 큰 도움이 된 조언과 충고를 아끼지 않은 로널드 포드, 윌리엄 맥대니얼, 엘렌 레더먼 그리고 특히 모린 맥머로에게도 깊은 감사를 드리며, 여러 모로 즐거움을 준 맥머로의 애견 닥스훈트도 잊지 않을 것이다.
청소년 과학교육의 중요성을 잘 인식하는 만큼 프로메테우스 북스가 계속 과학책을 출판하여 과학교육에 많은 공헌을 한 데 대해 감사드린다. 특히 가장 성공적인 과학 고등학교로 인정받고 있는 일리노이 수학 과학 아카데미와, 서반구에서 가장 위대한 국립 연구소이자 태양계에서 우리가 가장 좋아하는 페르미 연구소에 깊은 감사를 드린다.
숲 속에 황혼이 깃들고
초원에 동이 트도록
고운 자태와 갈색 눈동자
내 임이 어른거리네.
내 임은 노래하며 사뿐히 숲 거닐고
내 임의 그림자 덩달아 춤을 추니
내 임의 그림자, 내 임의 노래,
나 무엇을 좇을까.
아, 나 사냥꾼 되어 기꺼이 그의 그림자 되고
아, 나 한 마리 나이팅게일이 되어 기꺼이 그의 노래 되리라.
때로는 달빛 어린 선율 따라 열정 따라
내 임 좇아보지만 임은 잡히지 않네. ＿ 오스카 와일드Oscar Wilde , [숲에서 In the Forest]
○ 출판사 서평
뮤온 중성미자와 b쿼크를 발견하고 노벨 물리학상을 수상한 리온 레더먼과 페르미 국립가속기연구소 이론물리학과의 의장으로 테바트론 가속기를 이용한 연구의 중심에 서 있던 크리스토퍼 힐이 들려주는 힉스 입자에 대한 모든 것!
힉스 입자에 관한 최고의 지성들이 들려주는 힉스 입자의 가치, 연구 결과 그리고 그 너머의 이야기는 힉스 입자가 궁금한 모든 이에게 재미와 감동을 안겨줄 것이다!
- 오랜 숙원이었던 힉스 입자의 발견, 그리고 힉스 입자의 발견으로 새롭게 시작할 연구들!
힉스 입자의 천문학적인 가치와 입자물리학이 전하는 미래의 인류 그리고 에너지 전쟁 등 힉스 입자 발견의 전과 후를 살펴본다. 또한 왜 힉스 입자일까?에 대한 궁금증의 답 등 누구나 궁금할 힉스 입자에 대한 이야기를 “신의 입자’라고 명명했으며 입자물리학의 최고 지성들로 꼽히는 페르미 연구소 명예소장이자 노벨 물리학상 수상자 리언 레더먼과 페르미 연구소 이론물리학과 의장 크리스토퍼 힐이 생생히 전한다!
힉스 입자를 발견하기까지 인간의 호기심은 2500여 년을 이어져왔다. 고대 그리스의 데모크리토스가 제안한 원자를 시작으로 뉴턴, 아인슈타인, 드브로이를 거쳐 수많은 과학자들에 의해 연구되던 물리학의 세계는 팀 버너스리의 WWW로 전 세계가 하나로 묶이면서 눈부신 발전을 거듭해왔다. 그리고 지구와 우주를 향한 끝없는 탐구심은 이제 힉스 입자의 발견으로 새로운 미래를 약속하고 있다. 천문학적인 연구비와 첨단 과학의 결정체를 무기로 진일보한 세계를 약속하고 있는 것이다. 그렇다면 힉스 입자 발견 후 과학은 어디까지 와 있을까? 힉스 입자로 우주의 비밀은 모두 풀린 것일까? 너무 거대한 프로젝트로 유럽과 미국을 중심으로 진행되어온 연구에서 주변 국가들이 할 수 있는 일은 무엇일까? 입자물리학의 중심에서 오랫동안 연구해온 두 연구자는 페르미에서의 입자물리학 연구와 유럽의 LHC를 이용하여 얻어낸 연구 결과를 토대로 힉스 입자의 시작과 과정, 수많은 연구들, 결과 그리고 새로운 시작과 인류의 미래를 들려주고 있다. 따라서 힉스 입자가 무엇이며 왜 중요한지 궁금하다면 꼭 이 책을 볼 것을 권한다!
- 작가의 말 중에서
물질의 근원을 밝혀내기 위한 전선의 최전방에서 오랫동안 연구해온 이 책의 저자들은 이런 질문에 가장 확실한 대답을 해줄 수 있는 사람들이다. 오랫동안 세계 최대 입자 가속기의 자리를 차지하고 있던 미국 페르미 연구소의 테바트론 가속기를 이용한 연구에서 핵심 역할을 해온 저자들은 지난 수십 년 동안 입자물리학 분야에서 일어난 일들을 몸소 체험한 사람들이며 연구 성과를 누구보다 정확하게 이해하고 있는 사람들이다. 특히 저자 중의 한 사람인 리언 레더먼은 1960년에서 1962년 사이에 브룩헤이븐 국립가속기 연구소에서 뮤온 중성미자를 발견하여 1988년 노벨물리학상을 수상했으며, 1976년에는 페르미 연구소에서 b쿼크를 발견하는 등 오랫동안 입자물리학 연구의 중심에 있던 사람이다. 이 책에는 저자들이 페르미 연구소의 테바트론 가속기를 이용해 이룩한 연구 성과와 함께 유럽에 설치된 LHC를 이용하여 얻어낸 연구 결과가 자세하게 설명되어 있다. 그런 설명에는 힉스 입자의 발견 과정과 힉스 입자가 어떤 입자인지에 대한 설명이 중심을 이루고 있다.
그러나 독자들이 이 책을 통해 알게 될 더 중요한 내용은 앞으로의 입자물리학 분야의 연구가 어떤 방향으로 나갈지에 대한 방향을 예측하고, 세계 최대 입자 가속기를 가지고 있지 않은 나라에서 어떤 연구를 해야 하는지에 대한 것이다. 입자 물리학 분야에서는 거대한 가속기를 이용하여 만들어내는 큰 에너지를 가진 입자로 할 수 있는 연구가 있는가 하면 에너지가 작은 많은 입자를 이용하여 할 수 있는 연구도 있다. 이 책의 마지막 세 장에서 다룬 차세대 입자물리 연구에 대한 소개는 입자물리학을 연구하고 있는 학자들은 물론 물리학에 관심을 가지고 있는 일반인들에게도 앞으로의 연구 방향에 대한 참신한 아이디어를 제공해줄 것이다.
입자물리학의 최전선에서 어떤 일이 일어나고 있는지를 자세하게 알 수 있도록 한 이 책을 번역하게 된 것은 역자에게도 큰 즐거움이었다. 연구에 직접 참여했던 사람에게서 자세한 설명을 듣는 것만큼 확실한 정보는 없기 때문이다.
크리스천라이프 편집부