이것이 힉스다 : 21세기 최대의 과학 혁명

이것이 힉스다

21세기 최대의 과학 혁명

힉스 보손의 발견은 이야기의 끝이 아니라 시작이다!

힉스 보손이란 무엇인가? 물리학자들은 힉스 보손을 어떻게 발견했는가? 

힉스 보손의 발견은 우리에게 무엇을 가져다줄 것인가? 

힉스발견 이후 물리학의 미래는? 

답을 얻고 싶다면, 이 책을 읽어라!

2013년 3월 14일, 유럽 입자 물리학 연구소(CERN)은 힉스 입자의 발견을 선언했다. 작년 7월 4일 힉스 입자를 발견했다고 처음으로 공식 발표한 이후 8개월 만에 지난 발표 때보다 2.5배 많은 데이터 분석 자료를 바탕으로 힉스 입자가 발견되었음을 공식 선언한 것이다. 이로써 지난 40년 넘게 미완의 상태로 남아 있던 입자 물리학 표준 모형의 실험적 검증이 완료되었다. 이제 물리학계의 관심은 45년간 25명의 노벨상 수상자를 배출해 온 노벨상 제조기 표준 모형의 마지막 노벨상 수상자가 누가 될 것인지에 쏠려 있다.

이런 상황에서 힉스 입자의 발견이 가지고 있는 의미와 앞으로 물리학을 포함한 현대 과학의 발전 과제를 살펴보는 책이 한 권 출간되었다. (주)사이언스북스에서 펴낸 리사 랜들(Lisa Randall) 하버드 대학교 물리학과 교수의 『이것이 힉스다(Higgs Discovery)』가 바로 그 책이다.

이 책은 하버드 대학교 물리학의 첫 여성 종식 교수이자 여분 차원 모형으로 전 세계 이론 물리학계를 선도하고 있는 리사 랜들 교수가 지난 2012년 7월 4일 CERN의 힉스 입자 발견 발표 직후 그 의미와 흥분을 대중과 공유하기 위해 긴급하게 쓴 책이다. 이 짤막한 책에서 리사 랜들은 힉스 입자 발견 발표를 들었을 때 한 사람의 물리학자로서 느꼈던 흥분과 지적 통쾌감에서 이야기를 시작해 LHC(대형 강입자 충돌기)에서 이뤄진 양성자 충돌 실험의 원리, 힉스 입자 발견을 통해 입증된 힉스 메커니즘의 존재, 그리고 입자 물리학 표준 모형 너머의 물리학을 간결하고 명확하게 해설하고 있다.

‘신의 입자’를 넘어서

실험에서 발견된 것이 무엇이든 간에 물리학은 진보할 것이다. 가장 간단한 힉스 보손이 발견된 것이라는 걸 알게 되거나, 아니면 우리가 나아갈 길을 가리키는, 표준 모형을 넘어서는 물리학의 증거를 찾게 될 것이다. 이런 자세한 연구가 크게 일어날 것이다. 힉스 보손을 발견한 것은 이야기의 끝이라기보다는 시작이다. — 본문에서

‘신의 입자’라고도 불리며 기본 입자(소립자)에 질량을 부여하는 입자로 알려진 힉스 입자(힉스 보손)는 오랫동안 수수께끼로 남아 있던 질량의 기원을 설명해 주는 표준 모형의 마지막 퍼즐 조각이다. 리사 랜들은 이 힉스 입자의 발견으로 전자같은 렙톤(경입자), W 보손이나 Z 보손 같은 약력 게이지 보손 등의 기본 입자들이 질량을 가지는 이유를 모순 없이 설명할 수 있게 되었고, 중력을 제외한 전자기력, 강력, 약력의 세 가지 힘과, 쿼크와 렙톤 그리고 보손으로 세상 만물을 설명하는 입자 물리학 표준 모형이 틀림없음을 증명해 주었다고 평가한다. 그리고 물리학자들은 이 발견을 새로운 출발점이자 기반 삼아 정체불명의 존재인 암흑 물질이나 암흑 에너지의 정체를 밝히는 연구를 해 나갈 수 있게 되었다고 전망하고 있다. 

또 이 책에는 리사 랜들의 전작인 『숨겨진 우주(Warped Passages)』(김연중, 이민재 옮김, 사이언스북스, 2008년)의 10장과 『천국의 문을 두들기며(Knocking on Heaven’s Door)』(이강영 옮김, 사이언스북스, 2013년 출간 예정)의 16장을 발췌해 싣고 있다. 국내 대중 과학 독서계에 제대로 소개되어 있지 않은 입자 물리학 표준 모형을 해설하고, 표준 모형 등장 이후에도 해결되지 않고 있는 여러 문제들(중력의 정체, 계층성 문제, 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체, 여분 차원의 문제 등)을 알기 쉽게 해설하고 있는 이 책들에서 힉스 보손과 힉스 메커니즘에 대한 부분을 소개하는 꼭지들을 선별해 발췌한 것이다. 힉스 메커니즘이 실제로 어떻게 작동하고, 진공 속에 숨겨져 있는 힉스 보손을 추출해 발견해 내기 위해 물리학자들이 어떤 노력을 하고 있는지를 눈에 잡히듯 생생하게 설명하고 있다.

힉스 입자의 발견으로 정점에 도달한 입자 물리학 표준 모형은 현대 과학의 금자탑이다. 이 금자탑은 상대성 이론처럼 단 한 사람에 의해 이뤄진 것이 아니라 말 그대로 국경과 세대를 초월한 수많은 물리학자들의 공동 연구를 통해 이뤄진 것이다. 1969년 노벨상 수상자인 머리 겔만 이후 25명의 표준 모형 관련 노벨 물리학상 수상자들의 면면을 보면 그것을 분명하게 알 수 있다. 이중에는 3명의 일본계 물리학자도 포함되어 있다. 우리에게는 이휘소 박사가 피터 힉스의 이름을 따서 처음 힉스 입자, 힉스 메커니즘이라는 이름을 사용했다는 전설만 전해질 뿐이다.

그러나 힉스 보손의 발견은 랜들의 표현 그대로 끝이 아니다. 새로운 출발점이다. 힉스 발견의 흥분으로 가득한 이 책들을 통해 독자들, 그리고 한국 과학의 미래를 새로 써나갈 젊은 과학자들은 21세기 초반을 장식한 이 과학 혁명의 진정한 의미를 음미하고, 새로운 물리학이 써 나갈 아름다운 역사에 동참할 수 있을 것이다.

과학이 세계를 해명해오기 시작한 이래, 과학자들은 우주를 더 잘 설명하는 법을 고안해 왔고 우주에서 일어나는 새로운 현상을 계속해서 발견해 왔다. 흔히 전자를 이론이라고 하고 후자를 실험 혹은 관측이라고 부르는데, 양자가 보조를 맞출 때 인간은 진정으로 우주를 더 깊이 이해할 수 있게 된다. 최근 과학자들은 또 한 번 완전히 새로운 현상을 발견한 것 같다. 그 현상은 힉스 보손이라는, 물질의 질량과 관련이 있다고 하는 입자다. 이 입자는 어떤 입자며, 왜 이제야 발견되었을까? 그리고 질량과는 어떻게 관련이 있다는 말일까? 이는 현대물리학이 물질과 우주의 신비를 설명하는 가장 첨단적인 지식에 맞닿은 부분이다. 

1962년생인 리사 랜들은 현재 가장 각광 받는 젊은 이론 물리학자다. 1999년 발표한 랜들-선드럼 모형으로 특히 유명한 랜들은 프린스턴 대학교 물리학과에서 종신 교수직을 받은 최초의 여성이며, 하버드 대학교 물리학과에서 종신 교수직을 받은 최초의 여성 이론 물리학자다. 특히 그녀의 가장 중요한 업적인 랜들-선드럼 모형은 현대 입자 물리학에서 힉스 입자를 둘러싸고 나오는 계층성 문제와 중력의 문제를 연결하는 데 중요한 시사점을 던진 이론이다. 이런 점에서 힉스 입자의 발견에 대해, 그 원리와 의미에 대해 이야기해 줄 사람으로 랜들은 아주 특별한 적임자다. 그러니까 이 짤막한 책은 현역의 가장 활발하고 선도적인 물리학자가 써 보내는 생생한 현장 보고서이자 심층 기사인 것이다. 힉스 보손에 대해 무언가 알고 싶으면, 일단 이 책부터 읽고 나서 더 알고 싶은 것을 생각해 보기로 하자. — 옮긴이 후기에서

차례

1장 힉스의 발견: 빈 공간의 힘

2장 기본 입자의 질량: 자발적 대칭성 깨짐과 힉스 메커니즘

3장 힉스 보손

옮긴이 후기 / 찾아보기

인터넷 서점 링크

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인터파크 가기	도서11번가 가기	반디앤루니스 가기

리사 랜들의 책들

숨겨진 우주

김연중, 이민재 옮김

21세기 물리학을 뒤흔들 ‘차원 혁명’이 시작된다!

다섯 번째 차원에 숨겨진 시공간의 비밀을 파헤치는 현대 물리학의 최전선

천국의 문을 두들기며(근간)

이강영 옮김

현대 물리학은 불확실성과 창조성, 아름다운과 진실이 뒤얽힌 치열한 전장이다

우주 진화와 세계의 본질을 밝히는 미래 과학자들의 세계로 안내한다!

리사 랜들(Lisa Randall)

1962년 미국에서 태어났으며 뉴욕의 스타이버선트 고등학교를 졸업하고 하버드 대학교 물리학과에서 입자 물리학과 우주론을 연구했다. 하워드 조자이 교수의 지도로 이론 물리학 박사 과정을 마쳤으며, MIT와 프린스턴 대학교에서 교수로 재직하다 2001년 하버드 대학교 물리학과의 종신 교수가 되었다.

리사 랜들은 고에너지 입자 물리학, 끈 이론, 우주론 등의 분야에서 뛰어난 연구 성과를 거두고 있는 입자 물리학자로 1999년 라만 선드럼과 함께 발표한 두 편의 논문으로 물리학계의 스타로 급부상했다. 그가 제안한 여분차원 이론은 ‘랜들-선드럼 모형’으로 불리며 현대 이론 물리학의 여러 난제를 해결할 실마리로 높은 평가를 받고 있다. 그리고 급팽창 우주론, 초대칭성 이론 , 대통일 이론, 끈 이론 등에 공헌했다.

미국 물리학회 회원이자 미국 예술 과학 아카데미의 회원으로, 앨프리드 슬론 재단의 연구상, 미국 자연 과학 협회가 주는 젊은 과학자 상, 미국 물리학 교육자 협회가 주는 클롭스테드 상, 미국 물리학회가 주는 ‘최다 인용 논문상’ 등을 수상했다. 다수의 물리학 학회를 기획하고 여러 물리학 학회지의 편집 위원으로 활동하며 전 세계 이론 물리학계에서 중심적인 역할을 하고 있다. 《시드 매거진(Seed Magazine)》이 ‘2005년의 과학 아이콘’으로, 《뉴스위크(Newsweek)》가 ‘2006년에 주목할 인물’로, 《타임(Time)》이 ‘세계에서 가장 영향력 있는 100인’으로 선정한 바 있다.

저서로는 『숨겨진 우주(Warped Passages)』, 『천국의 문을 두들기며(Knocking one Heaven’s Door)』가 있다.

이강영

1988년 서울 대학교 물리학과를 졸업하고 KAIST에서 입자 물리학으로 석사 학위와 박사 학위를 받았다. 박사 과정 중이던 1993년, LEP 가속기의 L3 실험 그룹의 멤버(방문 연구원)가 되어 CERN에서 1년간 머물렀다. 1996년 힉스 보손을 비롯한 기본 입자 사이의 대칭성을 주제로 박사 학위를 받았다. 서울 대학교 이론 물리학 연구 센터, 연세 대학교 자연 과학 연구소, 고등 과학원 연구원, KAIST와 고려 대학교 물리학과 연구 교수로 재직했다. 현재 경상 대학교 물리교육과 교수로 재직하고 있다.

지금까지 여분 차원, 힉스 입자, CP 대칭성, B 메손, 게이지 이론, 암흑 물질 등 입자 물리학의 여러 주제에 관해 박사 학위 논문인 「유카와 결합 상수에 내포된 플레이버(flavour) 대칭성의 의미」를 비롯, 「LHC에서 좌우동형 모델에 나오는 전기를 띤 힉스 입자의 생성」, 「페르미온 암흑 물질의 가장 간단한 모형」 등 50여 편의 논문을 발표했다. 저서로는 『LHC, 현대 물리학의 최전선』과 『보이지 않는 세계』가 있다.

김연중

KAIST 물리학과를 졸업하고 동 대학원에서 입자 물리학으로 석사 학위를, 초끈 이론으로 박사 학위를 받았다. 기업에서 반도체 연구원으로 일했으며, 현재 영상 처리 개발자로 일하고 있다. 번역서로는 『숨겨진 우주』, 『물리학의 최전선』이 있다.

이민재

서울 대학교 물리교육과를 졸업하고 동 대학원 서양학과에서 미술 이론 석사 과정을 수료했다. 현재 서울 미성 중학교 과학 교사로 일하고 있다. 번역서로는 『숨겨진 우주』, 『현대 미술의 이해』가 있다.