자연의 아름다움을 가장 잘 이해한 물리학자

천재적인 직관으로 입자물리학을 체계화하다

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 20번째 책. 입자가속기의 발명부터 쿼크의 발견까지, 쿼크모형의 개념과 역사를 수많은 과학 교양서를 집필한 정완상 교수의 필력으로 흥미롭게 살펴본다. 쿼크 이론의 등장 과정을 여섯 편의 논문(로런스, 나카노-니시지마, 사카타, 겔만, 릭터, 팅)과 함께 다루었다.

20세기 중반 물리학자들은 원자와 원자핵을 넘어서 그 안의 더 작은 세계로 눈을 돌렸다. 이 책에서는 뮤온과 타우 입자 같은 경입자, 양성자와 중성자 같은 중입자, 파이온과 케이온 같은 중간자 발견의 역사도 이야기했다. 케이온과 함께 도입된 기묘도라는 양자수를 설명했고, 여기에 초전하, 아이소스핀을 리군과 리대수로 묘사했다.

더불어 1964년 등장하는 겔만의 쿼크모형과 이 모형이 예측한 오메가 입자의 발견을 다룬다. 하나의 입자로 여겨졌던 양성자와 중성자가 더 작은 기본 입자인 쿼크로 구성되어 있다는 것을 소개한다. 겔만이 도입한 u, d, s쿼크와 그 이후에 예언된 참 쿼크, 보텀 쿼크, 톱 쿼크의 발견도 곁들였다. 이 책은 그 작은 입자들의 세계 속에서 인류가 어떻게 숨겨진 질서를 발견해 왔는지를 따라가는 이야기다.

부록에 논문 영문본과 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 독자들의 더 깊은 탐구를 도왔다.

[목 차]
  

과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까

천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며

보이지 않는 입자를 예측한 겔만 _윌첵 박사 깜짝 인터뷰

 

첫 번째 만남 | 입자가속기의 발명

콕크로프트와 월턴의 가속기 _최초의 입자가속기

밴더그래프 가속기 _고전압 발전기를 발명하다

선형가속기 _가속기 발전의 역사

로런스의 사이클로트론 _종이 냅킨의 스케치로부터

싱크로트론 _입자의 궤도를 나선에서 원형으로

 

두 번째 만남 | 군과 대수

갈루아의 생애 _비운의 천재 수학자

군의 정의 _이항연산과 네 가지 조건

회전군 _반시계 방향으로 몇 도 회전시킬까?

마리우스 솝후스 리 _동료들과 함께 학문적 열정을 쏟다

행렬군과 리군 _행렬군이 특별한 관계를 만족할 때

유니터리군 _N차원 복소 공간에서

리대수 _변수가 아주 작은 경우

 

세 번째 만남 | 새로운 입자의 발견

새로운 입자 _입자 발견의 역사

아이소스핀의 등장 _동일한 입자의 서로 다른 두 상태

중간자 _핵력을 매개하는 입자가 필요해!

타우 입자 _전자나 뮤온보다 무거운 경입자를 찾아서

약력을 매개하는 입자 _질량이 0이 아닌 새로운 입자

약력을 매개하는 입자의 발견 _양성자와 반양성자를 충돌시켜

 

네 번째 만남 | 기묘한 입자의 출현

케이온을 발견한 두 과학자 _파이온 다음으로 발견된 중간자

V입자 _성차별을 극복하고

케이온 _기묘한 입자

기묘도 _입자의 속성을 나타내는 새로운 수치

새로운 중입자 _람다, 시그마, 크시, 델타

니시지마-나카노-겔만 법칙 _세 사람이 발견한 재미있는 공식

 

다섯 번째 만남 | 쿼크모형

사카타 모형 _페르미-양 모형을 모든 강입자로 확장하다

쿼크모형의 창시자 겔만 _겔만의 생애와 연구

강입자의 정리 _짝지어 배열하기

겔만의 쿼크모형 _제임스 조이스의 소설에서

su(3)대수와 쿼크모형 _대칭군과 연결 짓다

 

여섯 번째 만남 | 쿼크모형의 진화

한무영과 난부의 색깔이 있는 쿼크 _빛의 삼원색처럼

참 쿼크의 존재를 예언한 과학자들 _비요르켄, 일리오풀로스, 마이아니, 이휘소

참 쿼크의 필요성 _입자가속기의 실험 결과로부터

글루온 _마치 고무줄처럼

참 쿼크의 발견 _독립적으로 찾아낸 새로운 중간자

보텀 쿼크와 톱 쿼크 _이론에서 증거 수집을 거쳐 발견에 이르기까지

 

만남에 덧붙여

The Production of High Speed Light Ions Without the Use of High Voltages _로런스 논문 영문본

Charge Independence for V-particles _나카노-니시지마 논문 영문본

On a Composite Model for the New Particles _사카타 논문 영문본

Symmetries of Baryons and Mesons _겔만 논문 영문본

Discovery of a Narrow Resonance in e⁺ e⁻ Annihilation _릭터 논문 영문본

Experimental Observation of a Heavy Particle J _팅 논문 영문본

위대한 논문과의 만남을 마무리하며

이 책을 위해 참고한 논문들

수식에 사용하는 그리스 문자

노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

[본 문]
  

1932년 4월 14일, 콕크로프트와 월턴은 양성자를 가속시켜 리튬과 충돌하게 하여 리튬이 헬륨으로 변하는 것을 알아냈어. 이것은 최초의 인공 핵변환 실험이었고, 이 업적으로 두 사람은 노벨 물리학상을 받게 되지.

_25쪽

 

중간자가 발견된 후 과학자들은 물질을 구성하는 입자를 세 종류로 분류했어. 전자처럼 가벼운 입자를 경입자(lepton), 양성자처럼 무거운 입자를 중입자(baryon)라고 불러. 경입자와 중입자의 중간 질량을 가진 입자를 중간자(meson)라고 해.

_98쪽

 

우젠슝은 미국 유학을 결심했다. 그녀는 미시간 대학에서 여성이 정문으로 다니는 것조차 허용되지 않는 사실을 알게 되었다. 미국 사회의 성차별에 충격받은 그녀는 더 진보적인 캘리포니아 대학 버클리에서 공부하기로 결정했다.

_121쪽

 

정교수: 1964년 겔만과 츠바이크는 독립적으로 양성자나 중성자 등의 강입자들이 세 개의 기본 입자로 이루어져 있다고 생각했어. 겔만은 이 기본 입자를 쿼크라고 불렀고, 츠바이크는 이 세 입자를 에이스라고 불렀어. 하지만 과학자들은 쿼크라는 이름을 더 좋아했지.

물리군: 쿼크라는 이름은 어디에서 나온 건가요?

정교수: 특별한 뜻은 없어. 겔만이 제임스 조이스의 소설 《피네간의 경야》를 읽다가 거기서 나온 문장 속에서 찾은 단어야.

_147쪽

 

당시에는 논문을 완성하면 저널에 투고하기에 앞서, 타이핑한 원고인 프리프린트를 세계 각국의 주요 대학이나 연구소로 보내 자신이 한 연구를 알렸어. 1965년 한무영은 같은 쿼크 여러 개가 하나의 상태에 들어가기 위해서는 하나의 쿼크가 세 종류여야 한다고 주장했지. 그는 이 내용을 프리프린트로 만들어 각 대학에 보냈는데, 시카고 대학의 난부도 마침 비슷한 생각을 하고 있었다네. 그들은 서로 만난 적은 없었지만 이 주제로 공동 연구를 하기로 했지.

_164~165쪽

 

물리군: 그럼 전자기력에서 광자처럼, 강력에서는 글루온이 힘의 매개 입자인가요?

정교수: 정확해. 쿼크와 쿼크 사이의 강한 상호작용을 글루온이 전달하지. 이 강한 힘에는 아주 특별한 성질이 있어. 이름하여 점근적 자유(asymptotic freedom)라는 거야.

물리군: 그게 뭐예요?

정교수: 말 그대로 쿼크들이 아주 가까이 있을 땐 자유롭게 움직이지만, 멀어지려고 하면 점점 더 강한 힘이 작용해서 도망칠 수 없는 성질이야.

물리군: 오! 마치 고무줄처럼 가까이 있을 땐 느슨하지만, 멀어지면 팽팽하게 당겨지는 느낌이네요.

정교수: 적절한 비유야. 그 때문에 우리는 쿼크를 절대 단독으로 발견할 수 없어. 멀어지면 글루온의 결속력이 너무 강해져서 결국 새로운 강입자가 생기지.

_177~178쪽

남순건 (경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)

저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등의 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다.

이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.