바벨탑의 힉스 사냥꾼

바벨탑보다 거대한

지상 최대의 실험 장치, LHC

그 이면에서 벌어지는 치열한 경쟁과 투쟁



2014년 9월 29일, CERN이 환갑을 맞이했다. 1954년 9월 29일 벨기에, 덴마크, 프랑스, 독일, 그리스, 이탈리아, 네덜란드, 노르웨이, 스웨덴, 스위스, 영국, 유고슬라비아의 회원국들을 창립 회원국으로 하여 설립된 지 60년이 된 것이다. 1957년 600메가전자볼트(6억 전자볼트) 출력의 싱크로사이클로트론(SC)를 시작으로 양성자 싱크로트론(PS), 슈퍼 양성자 싱크로트론(SPS), 대형 전자-양전자 충돌기(LEP), 그리고 14테라전자볼트(14조 전자볼트) 출력의 대형 강입자 충돌기(LHC)에 이르기까지 전 세계 가속기 입자 물리학 실험을 주도해 오면서 수많은 물리학적 성과들을 올려 왔다. 역사상 처음으로 반물질의 존재를 입증했고, 약력을 전달하는 입자인 W, Z 보손을 발견했고, 그리고 표준 모형의 마지막 퍼즐로 여겨져 '신의 입자'라고까지 불렸던 힉스 입자를 2012년 7월 4일 발견해 내 21세기 초반 최고의 물리학적 성과를 거두기도 했다.

현재 LHC는 최대 출력을 내기 위한 업그레이드 작업이 진행 중이다. CERN은 현재 힉스 입자 발견 이후 새로운 도약을 위한 준비 기간에 들어가 있는 것이다. 이번에 (주)사이언스북스에서 펴낸 김동희 경북대학교 교수의 『바벨탑의 힉스 사냥꾼』은 CERN과 LHC가 현재 얼마나 큰 야심과 비전을 가지고 새로운 준비를 하고 있는지, 그리고 그 준비를 하기까지 어떤 역정을 거쳐 왔는지 살펴볼 수 있는 기회를 제공하고 있다.

이 책의 저자 김동희 경북대학교 교수는 LHC 가동 이전 톱 쿼크를 발견해 내며 20세기 후반 입자 물리학 실험을 선도한 미국 페르미 국립 연구소의 입자 물리학 연구에 1990년대 초반부터 박사 후 연구원 및 방문 교수, 그리고 CDF 실험 한국 그룹 대표로서 결합해 사반세기 넘게 새로운 입자 탐색과 새로운 물리 현상 발견에 공헌해 온 입자 물리학 실험 연구의 국내 대표 과학자이자 최고 권위자라고 할 수 있다. 국내에서는 BK21 고에너지 물리 사업 팀장, WCU 고에너지 충돌 물리 연구 사업단 단장, 한국연구개단 도약 과제(새로운 물리 현상 탐색 연구) 연구 책임자 등을 맡으면서 입자 물리학 실험 분야와 고에너지 물리학 분야를 세계적인 수준으로 끌어올리는 데 혁혁한 공헌을 해 왔다.

지금은 힉스 입자를 발견해 세계적인 명성을 거운 LHC의 CMS 연구 그룹에 한국 대표로서 참여해 강입자 충돌을 통한 새로운 물리 현상 탐색 연구 프로젝트를 진행하고 있으며, 2011년 12월 13일 CERN이 LHC에서 힉스 입자를 발견할 수 있을 것이라고 CERN 대표단의 공식적인 극적 발표가 있은 직후인 12월 14일 일본 오사카에서 CERN 대표단 말고는 최초로 일본 오사카에서 CMS 연구팀의 힉스 입자 관련 연구 성과를 발표하는 등 LHC CMS 연구 그룹의 힉스 입자 발견 연구의 핵심에 깊이 관여해 왔다.

현재는 힉스 입자 발견 이후 입자 물리학계(고에너지 물리학계)의 최대 이슈라고 할 수 있는 새로운 게이지 입자 발견 연구, 표준 모형의 후계자라고 평가받는 초대칭 이론의 검증을 위한 초대칭 입자 탐색 연구, 여분 차원의 증거가 될 칼루자-클라인 입자 질량 영역 연구 등에서 세계적인 연구 성과를 올리고 있다.

김동희 교수가 주저자 및 교신 저자로 참여한 논문들 중 9편은 SCI 상위 30퍼센트의 학술지에 발표되었으며, 그중 7편은 SCI 상위 10퍼센트의 저널에 발표되었고, 칼루자-클라인 입자의 질량 영역 연구에서는 세계 최고 수준의 연구 성과를 거둔 것으로 세계 학계에서 평가받고 있다. 특히 2012년 이후 김동희 교수의 연구진이 중심적으로 연구하고 있는 새로운 게이지 입자 탐색 채널 연구는 LHC의 CMS 연구 그룹에서 최중요 분석 과제(High Priority Analysis) 중 하나로 선정되기도 했다. (이것은 CERN에서 설정한 LHC의 주요 연구 과제 150개 중 21개만 선정되는 것이기도 하다.)

2012년 스웨덴 노벨상 위원회에 의해 노벨 물리학상 후보 추천 위원으로 위촉되기도 했던 김동희 교수의 신작인 『바벨탑의 힉스 사냥꾼』은 현대 물리학계의 최전선에서 어떤 일들이 벌어지고 있는지, 그리고 최고 수준의 과학자들이 어떤 식으로 경쟁하며 새로운 과학적 성과들을 추출해 내고 있는지, 그리고 이것을 가능케 하는 과학 연구 문화 전반이 어떻게 진화해 가고 있는지 생생하게 보여 주고 있는 르포이기도 하다.



현대 물리학 혁명을 이끄는 LHC 실험의 한국 대표,

김동희 경북대 교수의 현대 물리학 르포



1995년 톱 쿼크 발견 직후 김동희 교수가 펴낸 『톱쿼크 사냥』(민음사, 1996년) 이후 거의 20년 만의 신작인 이 책은 그동안 입자 물리학과 고에너지 물리학이 어떤 식으로 발전해 왔는지를 추적한다. 물리학의 이론적 요소에 초점을 맞추기보다는 구체적인 실험적 측면에 초점을 맞춰 입자 물리학의 실험 도구들은 LHC 같은 초대형 충돌형 가속기를 구성하는 가속기, 충돌기, 검출기들이 어떤 식으로 작동하며, 어떤 식으로 진화해 왔는지 상세하게 서술한다. 특히 가속기의 출력이 메가전자볼트(100만 전자볼트) 단위에서 테라전자볼트(1조 전자볼트) 단위로 급상승하면서 연구자 집단의 수와 규모가 한 자릿수에서 세 자릿수 이상으로 급팽창했음을 보여 주면서 이것이 과학자들의 연구 문화 자체에 어떤 영향을 미쳤는지 상세하게 고찰한다. 『바벨탑의 힉스 사냥꾼』이라는 제목은 급격하게 발전하고 있는 고에너지 물리학의 명암을 비유하고 있는 것이다.

책은 모두 6개의 장으로 구성되어 있다. 1장 「표준 모형과 힉스 입자」는 현대 입자 물리학의 가장 기본적인 이론이고 연구의 준거 틀이라고 할 수 있는 표준 모형의 성립 과정을 소개하고 있다. 전자기력과 광자에 대한 20세기 초중반의 연구가 1960년대 이후 실험과 이론 연구의 결합을 통해 16개의 쿼크와 렙톤, 그리고 보손으로 이루어진 표준 모형의 성립사를 추적한다.

2장 「힉스 입자의 발견」은 표준 모형의 마지막 퍼즐로 여겨지며 '신의 입자'라고 불리기도 했던 힉스 입자 발견의 역사를 추적한다. 지난 사반세기 동안 세계 최고의 고에너지 물리학 연구 기관에 페르미 연구소의 테바트론과 CERN의 LHC의 연구 프로젝트에 참여한 김동희 교수의 생생한 경험담을 통해 입자 탐색의 역사를 확인할 수 있다.

3장 「측정은 물리학의 최종 심판관」에서는 물리학자들이 이야기하는 '측정'이란 무엇인지, '발견'이란 무엇인지, '오차'란 무엇인지를 확인할 수 있다. 그리고 입자 발견에 사용되는 검출기들의 원리나 구조 등에 대해서도 배울 수 있다.

4장 「바벨탑의 사회학」에서는 성경에 언급되는 전설의 거대 건조물 바벨탑보다 거대한 둘레 27킬로미터의 가속기를 지하 100미터에 건설해 우주 탄생 순간의 초고온, 초고압 상태를 지상에서 재현해 자연의 비밀을 밝혀내려고 하는 과학자들의 사회를 살펴본다. 가속기의 출력이 메가 단위에서 테라 단위로 높아짐에 따라 급팽창한 과학자 연구 집단이 2000년 동안 이뤄져 온 과학 연구의 문화를 어떤 식으로 급격하게 바꾸고 있는지, 그리고 이 변화가 무엇을 의미하는지 과학자의 시선에서 심도 있게 고찰한다. 또 이 거대한 연구를 가능케 하는 협동과 소통의 원리, 그리고 경쟁의 법칙도 여러 가지 구체적인 사례들을 들어 가며 자세하게 설명한다.

5장 『CERN 그리고 LHC」, 6장 「미래」는 입자 물리학 실험 연구의 현재를 책임지고 있는 CERN 그리고 LHC의 역사와 현재, 그리고 미래를 소개하고 있다. 입자 물리학 실험 연구가 어떤 절차로 진행되는지, 초고에너지로 가속된 양성자를 어떤 식으로 충돌시키게 되는지, 충돌시킨 결과 생성되는 수많은 입자들을 어떻게 관측하고 분석하고 해석하는지 소개한다. 특히 6장 「미래」에서는 LHC를 14테라전자볼트로 출력으로 가동하게 되는 2015년 이후 입자 물리학의 연구 방향을 전망하고 있다. 초소형 블랙홀 생성, 초대칭 입자의 질량 영역 탐구, 칼루자-클라인 입자 발견을 통한 여분 차원 이론 검증 등 다양한 과제가 남아 있고, 이 연구 과제들을 하나하나 자세히 설명하고 있다. 또 현재 CERN를 비롯해 세계 물리학계가 기획하고 있는 2020년 이후 30년간의 연구 계획 등을 소개하고 있다. LHC의 출력을 33테라전자볼트로 업그레이드하는 고에너지 LHC 계획이나 둘레가 100킬로미터에 이르는 초대형 원형 충돌기 프로젝트들이 현재 계획 중에 있는 데 이 역시 놓치지 않고 소개하고 있다.

현대 과학은 어느새 바벨탑보다 거대해졌다. 과학자들은 그 속에서 사냥꾼들처럼 자연의 비밀을 뒤쫓고 있다. 성경 속의 바벨탑은 신의 저주를 받고 무너졌으며 바벨탑을 건설했던 고대인들은 뿔뿔이 흩어졌다. 거대한 바벨탑과 그 속 과학자들은 앞으로 어떻게 될까. 김동희 교수의 『바벨탑의 힉스 사냥꾼』은 이 질문에 대한 실마리를 던져 줄 수 있을 것이다.



새로운 탐색을 위한 이정표를 확인하라!



이 책에서는 힉스 입자의 발견에 관한 이야기를 소개하려고 한다. 아주 작은 입자를 탐색하는 아주 거대한 과학의 이야기이기도 하고, 입자와 힘 등 물리적 양만 존재하는 것 같은 창백한 자연 세계를 탐구하는 열정적인 이론가들과 실험가들의 이야기이기도 하다. 독자들이 가지고 있을 힉스 입자에 대한 궁금증을 풀어내고자 노력했다. 이 책을 통해 독자들이 힉스 입자의 물리학적, 역사적 배경을 이해하는 것은 물론, 발견에 이르기까지의 과정에 대해 윤곽을 잡을 수 있으면 좋겠다.

힉스 입자의 발견은 입자 물리학 연구의 끝은 아니다. 오히려 시작이다. 이 새로운 시작의 출발선에 서 있는 것은 한두 명의 천재가 아니다. 수천 명에 이르는 실험가들과 이론가들이 함께 서 있다. 어떨 때에는 어깨동무를 하기도 하고 어떨 때에는 서로 밀치며 경쟁을 하기도 하지만 이 거대한 사명의 깃발을 공유하고 있다. 수많은 사람이 하나의 목적을 가지고 모인 집단에서는 입자 사이의 역학과는 다른 역학이 작용한다. 이 사람 사이의 역학을 연구하는 것이 사회학이다. 나는 전문적인 사회학자는 아니지만 물리학자들이 만드는 사회 속에서 벌어지는 독특한 모습을 소개해 보고자 한다. 이 역시 이 책의 중요한 내용이라 할 수 있을 것이다. -「책을 시작하며」에서

책을 시작하며 … 7

프롤로그: 발견 … 13



1장 표준 모형과 힉스 입자 … 21

힘과 입자의 쌍쌍 파티 23 / 입자 사냥꾼의 출발점: 자기력과 광자 25 / 입자 사냥꾼들의 두 번째 사냥감: 강력과 글루온 32 / 입자 물리학의 영토 확장: 약력과 W, Z 보손 36 / 사실 가장 먼저 나왔고, 가장 간단했던 모형 43 / 게이지 불변의 법칙 44 / 가장 아름다운 이론이요 표준 모형의 수학 47 / 오소고날군과 유니타리군 50 / 통일장 이론과 표준 모형 51 / 우리 우주의 기본 구조를 밝히는 가장 표준적인 모형 56 / 힉스 입자는 존재해야 한다 59 / 대칭의 자발적 깨짐이란? 62



2장 힉스 입자의 발견 … 67

발견의 미학 69 / 힉스의 생성과 붕괴 73 / 힉스 입자 생성의 확률 76 / 힉스 입자는 어떻게 생성되는가? 78 / 붕괴하는 힉스 입자는 흔적을 남긴다 82 / CSI보다 날카로운 힉스 입자 붕괴의 흔적 찾기 86 / 포위망을 좁혀 나가는 입자 사냥꾼들의 발견 경쟁 88 / 힉스 입자, 드디어 꼬리가 잡히다! 95 / 5 시그마라는 벽! 98 / 힉스 입자로 판명되다 104 / 물리학자 군단이 동원된 힉스 입자 사냥 108 / 2013년 노벨 물리학상의 뒷얘기 111



3장 측정은 물리학의 최종 심판관 … 115

물리학은 측정의 과학 117 / 측정의 출발점은 오차를 아는 것 118 / 볼 수 없는 것을 보는 물리학 122 / 기본 입자를 검출한다는 것 127 / 가속기라는 측정의 도구 132 / 가속기의 기본 원리 136 / 입자의 검출 138 / 입자의 운동량 검출 139 / 입자의 에너지 검출 141 / 실린더형 검출기 142 / 쿼크 사냥의 역사 144 / 마지막 톱 쿼크의 발견 149



4장 바벨탑의 사회학 … 151

물리학의 진보는 혁명인가 진화인가? 153 / 거대 과학의 등장 157 / 빌딩보다 거대한 검출기 161 / 거대 연구 집단의 탄생 164 / LHC 실험의 협동과 소통의 원리 167 / 원격 화상 회의 170 / 또 다른 원리, 경쟁 172 / 필자가 몸으로 겪은 논문 출판 경쟁 175



5장 CERN 그리고 LHC … 185

순수 기초 물리학 연구의 산실 CERN 187 / WWW의 탄생지 191 / 지상 최대의 에너지를 우주로 쏘다 194 / LHC: 세계 최강의 가속기 197 / 둘레 27킬로미터의 지하 터널 198 / 극고온, 극저온, 극초진공 200 / 양성자 빔의 가속 202 / 충돌의 기록 204 / 빅 데이터의 저장 및 전송 206 / 양성자의 정면 충돌 209 / 초당 4000만 번의 충돌 212 / The CMS, 초거대 검출기 214 / 데이터의 선별 222 / 데이터의 분석 225



6장 미래 … 229

표준 모형의 확장 231 / 불완전한 표준 모형 232 / 초대칭 모형 234 / 그 외의 간단한 확장 모형들 236 / 블랙홀이 지구를 삼킨다? 240 / 초끈 이론과 여분 차원 243 / 팽창하는 우주 247 / 우리는 오로지 4퍼센트만 알고 있다 250 / 입자 물리학과 LHC의 미래 252 / 미래형 원형 가속기 프로젝트 254 / 미래형 선형 가속기 프로젝트 258



에필로그: 새로운 탐색의 여정 … 261

후주 … 264 / 참고 문헌 … 269 / 찾아보기 … 273 / 도판 저작권 … 278

김동희 저자 김동희는 1983년 서울 대학교 물리 교육과를 졸업하고 미국 시라큐스 대학원에서 입자 물리학으로 박사 학위를 받았다. 미국 페르미 연구소에서 박사 후 연구원(1990∼1992년)으로 활동하였으며 현재 경북 대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. 미국 테바트론 가속기를 이용한 CDF 실험을 1990년 이래 수행하고 있으며 한국 그룹 대표로 있다. 현재 CERN의 LHC 가속기를 이용한 CMS 실험을 수행 중이다. BK 고에너지 물리 연구팀장(2002∼2005년)과 WCU 고에너지 충돌 물리 연구단장(2009∼2013년)을 지냈다. 주 연구 분야는 강입자 충돌을 통한 새로운 물리 현상의 발견을 위한 연구로서 새로운 게이지 보손, 초대칭 모형 입자 등 새로운 입자의 탐색 연구를 현재 진행하여 인류의 지식을 넓히는 데 공헌하고 있다. 저서로는 『톱쿼크 사냥』(민음사, 1996년)이 있다.