2013 노벨 물리학상의 수상자 피터 힉스 & 프랑소와 앙글레 그리고 신의 입자 보손

 

 피터 힉스 교수 (Peter Higgs)

 

 

스웨덴의 노벨상위원회는 며칠전 노벨 의학상 수상자를 발표한데 이어서

2013년 노벨물리학상 수상자를 10월 8일 어제 발표했다.

올해  물리학상 수상자는 스코틀랜드 출신 물리학자인 84세의 피터 힉스(Peter Higgs)교수와

벨지움 브러셀 출신 80세의 물리학자 프랑소와 앙글레 교수 두분이 영예의 주인공들이다.

힉스 교수가 제시한 이론은 우주전체의 물질과 상태를 전반적으로 설명 할 수 있는

획기적인 이론으로 많은 과학자들이 아인슈타인 버금가는 최고의 이론이라고 인정을 받고 있어서

당연히 이번에 물리학 상을 받고도 남는다는 생각이 들어서 개인적으로 아주 흡족하기만 하다.

 

프랑소와 앙글레 교수(왼편)과 피터 힉스 교수

 

 

흥미로운 점은 힉시교수가 49년전에 제시한 이론이 작년에서야 힘들게

어렵사리 발견한 보손만큼 노벨위원회에서 이 기쁜 소식을  직접 전하고자 백방으로 수소문을 해도

그가 근무하는 에딘버그대학교에서조차 아무도 그의 소재파악을 하지 못해서

본인에게 직접 알리기 전에 메디아에 먼저 발표를 했다고 한다.

 

이 두 물리학자들에게  8백만 크로너 가 상금으로 수여되며,

온 우주내의 존재하는 모든 물체들이 지닌 질량(Mass)을 이루는

소위 '신의 입자'(God's Particle)이라는 보손(Boson)의 존재를 입증할 이론을 거의 50년 전에

이미 제시한 업적으로 (실제로 Hadron Collider 로 보손의 존재를 확인되었다) 올해 수상자로 정해졌다.

 

 

스위스 제네바에 위치한 CERN 소재의 거대입자가속기(LHC)

 

 

한국에서 과학교육과 수학교육을 받은 적이 전혀 없다 보니

한글 전문과학용어를 전혀 모르지만, 대신 공학을 전공한 엔지니어라서

나름 이 분야에 관심도 많아서 그동안 연구결과를 지켜 보고 있어서

이번에 노벨상을 타게 한 힉스의 입자인 보손을 나름대로 설명을 해 보자면:

(혹시라도 아래의 과학적인 영어를 한글로 제대로 아시는 분은 지적을 해 주시면 고맙겠습니다)

 

 

Peter Higss in the Large Hadron Collider at the CERN in Geneva, Switzerland

 

 

그들이 제시한 이론의 중심인 표준 모델(Standard Model of Physics) 에 의하면

이 거대한 우주 전체에  존재하는 모든 것들은 몇몇개의 작은 특별한 입자로 이루어졌다고 한다.

이 특수한 입자, 혹은 힉스의 입자 보손은 보이지 않는 장(field)에서 생겨나서

아무것도 없는 텅 빈 공간같은 우주  전체를 채워졌고, 그 특수한 힉스 입자가 없다면

지구상의 모든 생물과 무생물을 비롯해서 우주의 모든 물질들이 존재할 수 없고,

오로지 그 입자가 Higg's Field 와의 접촉을 해야만 모든 물체는 질량을 가질 수 있다고

1964년에 이미 수학적인 증명을 통해서 예측 한 바 있다.

 

 

표준 모델(The Standard Model)에서 제시한 12개의 입자와  4개의 힉스 보존 입자들의 관계

 

 

우리가 속해있는 우주의 현상을 좀 쉽게 이해하기 위해서 물리학자들은 표준 모델(Standard Model)을 사용한다.

과거 100년동안 입자의 모델들이 여러 과학자들의 다양한 실험으로 조금씩 진화해 왔는데

1970년대 초반에 완성된 가장 최근의 모델을 보면

우주 전체는 12가지 기본적인 작은 입자들과 4가지의 힘(forces)로 이루어졌다.

12가지의 입자는 6개의 쿽스(quarks)와 6개의 렙톤(leptons)을 일컫는다.

우리가 물리시간에 배웠듯이 quarks는 또 다시 양자(protons)와 중성자(neutrons)가 모여서 이루어졌고,

렙톤은 전자(electrons) 와 뉴트리노(Neutrinos)로 이루어져 있는데

물리학자들은 quarks 나 leptons 는 더 이상 작게 쪼갤 수 없다고 본다.

 

 

보손과 다른 입자들과의 상호관계를 설명하는 도표

 

그리고 138억만년 전에 발생한 빅뱅 사건 1조분의 1초 직후부터 생겨 난 우주는 한가지의 힘이 존재했지만,

우주가 점점 식어가면서 4가지의 forces는 중력(gravity), 전자기력(electromagnetic force),

분자의 핵들을 끌어당기는 강한 힘(strong force)과 그리고 약한 힘(weak force)로 나뉘어진다.

표준모델 이론은 매우 현실에 근접하지만, 아직도 중력에 대한 만족할 만한 설명을 여전히 제시해 주지 못하고 있다.

 

 

포톤(photon)처럼 힉스 보존 입자들과 접촉을 해도 속도도 줄지 않고 질량도 부여받지 않지만 에너지를 갖게 되지만

전자 입자는 보손입자들과 상호작용을 해서 속도가 줄어들고 대신 질량을 부여받게 되는 과정을 보여주고 있다.

 

 

힉스 교수와 앙글레 교수는 49년 전에 그들의 논문에서

위에 제시한 4가지의 기초적인 힘과 12가지의 입자 사이에 

17번째의 새로운 보손이라는 입자가

존재해서 우주의 모든 물질에 질량이 형성된다는 이론을 제시한 것이다.
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두 교수들의 보손입자의 존재를 확인하고자 그동안 많은 과학자들은 모든 입자들이 원래는

질량이 없다고 가정한 다음에, 우주 전체에 존재하는 힉스 Field를 12개의 입자들이 통과하면서

포톤은 질량은 형성되지 않지만, 에너지만 부여되고,

보손 입자가 존재한다고 가정하면 12개의 입자 중에서 질량이 있는 입자는

반드시 이 힉스 필드를 통과하면서 필드와 상호작용으로 질량을 부여받게 된다는 결과를 얻게 되었다.

힉스필드내에서 이처럼 질량을 부여받을 수 있게 필요한 이동입자(,Carrier particles)를 가리켜서

힉스 보손이라고 명명했다.

 

 

CERN에 근무하는 과학자들이 힉스와 앙글레 교수가

올해 노벨물리학상 수상자 발료를 듣고 환호하는 모습....

 

 

 

 

Large Hadron Collider

 

스위스에 소재한 CERN  연구소에서 약 6000명의 과학자들이 수백만불을 들여서

거대 초고속 입자충돌기계(Large Hadron Collider)를 사용해서

수억의 입자들을 빠른 속도에 충돌을 시킨 후에  2012년 7월 4일에

드디어 힉스 보손을 발견했다고 발표해서 힉스-앙글레의 보손입자가 존재한다는

예측을 입증하게 되었다.

 

해드론 가속입자충돌기(The Large Hadron Collider (LHC))는 세계에서 가장 강력한

분자 가속기로 2008년 9월 10일에 가동하기 시작했으며,

LHC는  27 km 길이의 둥근 거대한 수퍼자석(Superconding electromagnets)으로 만들어졌고,

다수의 가속기가 설치되어서 지나가는 분자들에게 속도를 높여준다.

수퍼자석은 특수한전자 케이블로 만들어져서 -271.3 C 의 아주 낮은 온도에 작동하는데

이는 입자들이 막힘이(resistance) 없이 빨리 움직일 수 있게 해 준다.

이렇게 아주 낮은 기온을 유지하기 위해서 액체 헬리움으로 자석을 냉동시킨다.

 

가속기 안에는 두개의 막강한 에너지 particle beams 들이 서로 반대방향으로

거의 빛의 속도로 각기 다른 파이프를 통해서 움직여서 충돌을 유발하게 한다.

이 가속기에는  15미터에 달하는  양극 (dipole) 자석 1232개를 사용해서 분자들을 커브를 돌게 하고

5-7 미터 길이의 quadrupole 자석 392를 사용해서 입자 beam들의 모으게 하며,

아울러 충돌을 촉진하기 위해서 세번째 자석으로 입자들을 서로 가깝게 해 주는 역할을 한다.

 

충돌을 유발하게 하는 이들 입자들은 10 km 떨어진 거리에서 두개의 작은 바늘을 쏘아서

맞힐 확률처럼 아주 작고 충돌할 확률이 낮고, 정확성이 요구된다.