<현대물리학 시간과 우주의 비밀에 답하다> 등으로 우리에게 친숙한 숀 캐럴의

<힉스> 일본어 번역본을 국회 도서관에서 발견하고 우리나라에선 아직 번역이 안되었기에  그 내용이

좋아 앞부분을 번역하여  숀 캐럴의 아름다운 문장과 과학하는 마음을 같이 느껴보고자 합니다. 

<힉스> -  숀 캐럴 

프롤로그

본서는 <힉스가 결정적으로 중요한 역할을 담당하는 자연의 궁극적인 성질>을 밝히는데 인생을 바친 사람들의 이야기이다. 연필을 가지고 종이 앞에 않아, 에스프레소와 동료들과의 격렬한 토론을 연료로 추상적 아이디어를 반복해서 생각하는 이론가. 기계와 전자기기를 기존의 한계를 훨씬 넘는 수준으로까지 끌어올린 기술자. 그중에서도 장치와 아이디어를 융합시켜서 자연에 관해 새로이 뭔가를 발견하는 실험가. 최첨단 물리학에는 비용이 수십 억 달러나 들고 완료하기까지 수십 년이 걸리는 계획에 관여하고 있다. 그리고 이것을 이루는 데는 상상을 초월한 헌신과 독특한 보답을 위해 기쁜 마음으로 비싼 판돈을 지출할 준비가 요구된다. 그러나 그것이 모두 맞아 떨어졌을 때 세계는 변한다. 인생이란 얼마나 멋진 것인가. 샴페인을 한잔 더 따르자.

 제 1 장 소립자를 탐구하는 이유 – 재능과 열의에 넘치는 사람들이 자신의 인생을 너무 작아서 볼 수

     조차 없는 것의 탐구에 바치는 이유는 무엇일까?

소립자 물리학은 묘한 학문이다. 몇 천 명의 사람들이 몇 십억 달러를 써서 직경 몇 킬로미터나 되는 거대한 장치를 만들어 거의 광속으로 까지 입자를 가속해서 서로 충돌시킨다. 게다가 그것들은 소립자 물리학자들에겐 새로운 종류의 기본적 입자를 찾는연구에 도움이 될지 몰라도 일반인들의 일상생활에 실질적으로 아무런 도움도 주지 않는다. 또 다른 견해도 있다. 소립자 물리학은 우리가 사는 세상에 관해 알고 싶어 하는 인간의 호기심이 가장 순수한 형태로 나타난 활동이다. 라고 하는 것이다. 인간은 항상 여러 가지의 것에 의문을 가져 왔다. 2000년도 이전 고대 그리스에서부터 탐구활동은 점점 늘어나 지금은 우주의 기본법칙을 발견한다는 목적을 위해서 세계규모로 계통적으로 활동이 이루어지게 까지 되었다. 소립자 물리학은 자신들이 사는 세상을 이해하고 싶다는 끊임없는 욕구에서 직접 생긴 것이다. 즉 소립자 물리학을 탐구하는 동기는 입자가 아니라 알지 못하는 것을 알려고 하는 인간의 욕구에서 나왔다.....1970년대는 소립자 물리학의 거의 모든 이론이 다 밝혀진 시대이다. <표준모형>이론 모델은 쿼크나 글루온, 뉴트리노 등 대부분 들어본 적 있는 모든 소립자를 기술하고 있다.

헐리웃의 유명인이나 카리스마 정치가가 그런 것처럼 과학이론도 그 자리에서 끌어 내려져 오기 위해서 거기에 잠시 머물러 있는 것이다. 유명 물리학자가 되기 위해서는 다른 사람의 이론이 올바르다고 증명만 해선 안 된다. 다른 사람의 이론이 틀렸다는 것을 증명하든가 다른 사람 이론보다 뛰어난 이론을 제창 할 필요가 있다.

지금까지 막대한 자금이 투입되었다. 처음 보는 미지의 세계에서는 무언가 일어나도 전혀 이상하지 않다. 다수의 경합하는 이론모델이 LHC에서 무엇이 발견되는가에 관해 여러 가지 예측을 하고 있다. 그러나 실제로 볼 때 까지는 무엇이 보이는지는 모른다. 그렇다고 해도 기대되고 있는 중심에 있는 것은 표준모형의 마지막 조각이며 표준모형을 넘는 세계를 처음으로 잠깐 보여주는 창구인 것이다. 자신을 드러내지 않는 입자. 힉스보존이다.

작은 부품이 만드는 커다란 우주

 우리가 오늘날 알고 있는 원자는 더 이상 분할되지 않는 것은 전혀 아니다. 실제로 원자는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 몇 개의 전자로 구성되어 있고 원자핵은 양자와 중성자로 구성되어 있다. 양자와 중성자조차도 분할할 수 없는 것이 아니라 그것들은 쿼크라 불리는 부품으로 구성되어 있다.

쿼크와 전자는 더 이상 분할할 수 없는 <물질의 기본 구성요소>라고 한다. 데모크리토스가 의미하는 진정한 의미의 (원자)다. 우리들은 오늘날 그것들을 (소립자)라고 부른다. 쿼크에는 업과 다운이라고 불리는 종류가 있으며 그것들이 양자와 중성자를 만들고 있다. 따라서 우리들 주위에 그 존재를 즉시 인식 할 수 있는 물질을 전부 구성하는 데에는 전부 3종류의 소립자 즉 전자, 업 쿼크, 다운쿼크로 충분하다. 이것은 고대로부터 생각해 온 5원소에 비해 더 작고 주기율표와 비교하면 커다란 개선이다.

그러나 세계는 단 3종류의 입자로 설명 할 수 있다고 하는 것은 실은 약간은 과장이다. 전자, 업 쿼크, 다운 쿼크는 자동차나 하천, 강아지를 설명하는 데는 충분하지만 지금까지 발견된 소립자는 이것뿐만이 아니다. 실제로는 물질을 만드는 입자는 전부 12종류이다. 6종류의 쿼크와 6종류의 <렙톤>이다. 쿼크는 강한 상호작용에 의해 양자나 중성자등의 보다 큰 덩어리에 갇혀진 상태로 밖에 존재 할 수 없다. 렙톤은 가두어지지 않고 단독으로 공간 내를 운동 할 수 있다. 이 외에도 이들 물질입자를 우리가 알고 있는 다양한 형태로 만드는 역할을 담당하는 <힘을 매개하는 입자>가 있다. 실제로 그것이 없으면 세계는 전혀 엉뚱한 장소로 바뀌어져 있었을 것이다. 힘을 매개하는 입자가 없으면 개개의 입자는 단지 공간을 곧바로 직진할 뿐으로 결코 상호작용하지 않는다. 이와 같이 12종류의 물질입자와 이들 간의 힘을 전달하는 입자를 전부 생각해 봐도 우리들 주위에 보이는 만물을 설명하는 재료로서는 상당히 적다고 할 수 있을 것이다. 그러나 실은 더욱 단순할지 모른다. 현대의 소립자 물리학자들은 항상 기존의 이론을 뛰어 넘기를 바라고 있다.

힉스입자

이들 소립자 –12종류의 <물질입자>와 그것들을 결합시키는 <힘을 매개하는 입자> - 를 기술하는 것이 소립자 물리학의 <표준모형>이다. 이것은 생각할 수 있는 가장 아름다운 이론 모델이라고는 할 수 없지만, 모든 실험 데이터를 설명 할 수 있다... 우주로 눈을 돌리면 은하의 관측에서 간접적으로 그 존재가 밝혀지고 있는 암흑물질이나 먼 천체의 관측에서 동일하게 간접적으로 존재가 나타나고 있는 암흑 에너지 등 정체를 알 수 없는 물질이나 에너지가 알려져 그것들은 우리들이 아직까지 우주만물을 다 이해하지 못하고 있음을 나타내고 있다. 이렇게 말하는 것은 암흑물질이나 암흑에너지는 표준모형으로는 우선 틀림없이 설명할 수 없음을 알고 있기 때문이다.

표준모형에서 입자는 <물질입자> 내지는 <힘을 매개하는 입자> 그 어느 쪽으로 보기좋게 나뉘어진다. 그러나 힉스입자는 별개이다. 기술적으로 말하면 힉스입자는 힘을 매개하는 입자이지만 다른 것과는 전혀 다른 종류의 <힘을 매개하는 입자>이다. 이론물리학자의 입장에서 보면 힉스입자는 그것이 없으면 아름다웠을 이론구조에 제멋대로 첨가된 여분의 첨가물처럼 보인다. 학스 입자가 없으면 표준모형은 우아함과 아름다움 그 자체였다. 그러나 그것이 있기 때문에 약간 혼란스럽다. 게다가 이 귀찮은 것을 발견하는 것은 또한 상당히 어렵다.

그렇다면 왜 매우 많은 물리학자들이 힉스입자의 존재를 믿고 있을까? <다른 입자에 질량을 주기 때문에>, 혹은 <대칭성을 깨기 때문에> 힉스입자가 필요하다는 설명을 들어 봤을 것이다. 그것들은 모두 맞지만 요점은 이 입자가 없으면 표준모형이 기술하는 세계는 매우 다른 모습으로 보여 현실과는 닮은듯해도 닮지 않았다고 하는 것이다. 힉스 입자가 있어야만 현실과 이론이 완전히 일치한다.

이론물리학자들은 실제로 힉스입자를 포함하지 않는 이론, 내지는 <표준모형과는 전혀 다른 종류의 힉스입자>를 포함한 이론을 생각해내려고 최선을 다했다. 그러나 그 많은 것들은 실험데이터에 의해 부정되고 부정되지 않는 나머지 이론도 쓸데없이 너무 복잡할 뿐인 것으로 보였다. 표준모형을 정말로 뛰어넘는 것처럼 보이는 모델은 발견되지 않았다. 그리고 우리들은 드디어 힉스 입자를 발견했다. 그렇지 않으면 매우 그것과 닮은 무엇인가를 찾아냈다.

관심의 이유

나는 이전에 소립자 물리학이나 중력이론 등에 관한 라디오 인터뷰를 다 끝난 뒤 질문을 하나더 해도 되냐는 질문을 받았다. 나는 물론이라고 대답했다. 질문은 <왜 그런 것에 관심이 있는가>라는 단순한 거였다. 내가 설명한 연구 그 어느 것도 암의 치료나 스마트폰의 가격 인하에 전혀 도움이 되지 않는다.

그때 떠오른 대답은 지금 생각해도 그럴듯하다고 생각했다. 6살 때는 누구나 다 이런 질문들을 듣는다. <왜 하늘은 푸른가? 왜 물건은 떨어지는가? 차갑고 뜨거운 물질이 존재하는 것은 왜인가? 그것들은 어떻게 움직이는가?> 어린애들을 보면 알 수 있듯이 가르치지 않아도 누구나 다 과학에 흥미를 가진다는 것이다. 애들은 태어나면서부터 과학자다. 그러나 그런 태어나면서 가진 호기심은 몇 년간의 학교교육과 실생활의 필요 없음에 의해 우리들 안에서 사라지고 만다. 반대로 직장을 구할려면 어떻게 하면 좋은가? 애들을 어떻게 키울 것인가. 를 생각하기 시작한다. 나중에 알게 된 것이지만 어린이는 10살에서 14살 정도까지 과학에 흥미를 가지고 있음이 연구결과로 나왔음을 알게 되었다....

기초연구는 눈에 보이는 이익을 위해서가 아니라 단지 호기심을 위해서이지만 과학의 역사를 되돌아보면 거의 의도하지 않지만 반복해서 몇 번이고 눈에 보이는 막대한 이익에 연결되어 있다. 페러데이는 당시의 정치가들에게 <전기가 어떤 도움이 되는가>라는 질문에 <언젠가 정부가 전기에 세금을 부과하겔 될 것이다>라는 답은 유명하다. 100년 전 으로 눈을 돌리면 일부의 위대한 과학자들이 새로운 양자역학과 씨름하고 있었다. 소수의 양자역학의 실험결과가 원동력이 된 이 분야의 연구는 그 후 물리학의 모든 기초를 바닥에서부터 뒤집어 놓았다. 당시 양자역학은 상당히 추상적이라고 여겨졌지만 그 후 트랜지스터, 레이져, 초전도, 발광 다이오드, 원자력 등으로 연결되었다. 이런 기초연구가 없으면 오늘날의 세계는 전혀 다른 세상이 되었을 것이다. 이런 기술면에서의 응용도 중요하지만 궁극적으로 나는 조안 휴이트(?)같은 학자 내지는 장치조립이나 아이디어의 선별에 오랜 시간을 보내고 있는 실험 물리학자들에게 있어서 이것은 주요 관심사는 아니다. 그러한 응용을 기대하고 힉스를 모색하고 있는 것은 아니다. 탐색의 이유는 호기심이다.          힉스는 우리가 아마 기나긴 시간을 들여서 풀려고 했던 퍼즐의 마지막조각으로, 그것을 발견하는 것 자체가 보람인 것이다.