재밌어서 밤새읽는 소립자 이야기

머리말 5
감수의 글 8

재밌어서 밤새 읽는 소립자 이야기
힉스 입자는 ‘입자’가 아니다?! 14
‘소립자 연구’란? 25
전 세계가 함께 만든 초거대 실험 장치 39
물질을 만드는 소립자 - 쿼크와 렙톤 48
힘을 전달하는 소립자 - 글루온, 광자, 위크보손 55
물질이 존재할 수 있는 이유는? 59
무게를 만들다! 힉스 입자 65
두 천재 물리학자 겔만과 파인만 70

힉스 입자와 초끈이론 이야기
소립자는 블랙홀과 같다? 80
‘양자장’은 용수철로 가득하다? 85
소립자의 세계는 상상불가?! 91
아인슈타인과 피카소의 공통항 97
힉스 입자는 어떻게 포착할까? 114
소립자는 언제나 불확정 118
소립자론의 구세주, 파인만 124
초끈이론이란? 133
초끈이론의 주역은 D-브레인 145
구체적 물질에서 추상적 개념으로 154

시공과 우주 창조 이야기
소립자와 우주 탄생 이야기 164
우리 주변에 ‘반물질’이 없는 이유 170
소립자보다도 작은 소립자?! 175
우주가 한두 개가 아니다? 181
우주론의 현재 188
시간과 공간은 사실 모호하다? 194
시공간은 뽀글뽀글 거품을 낸다 201
소립자의 스핀으로 시공간의 일그러짐을 측정하다 214

맺음말 221
참고자료 223

힉스 입자는 ‘소립자에 질량을 부여하는 입자’로 추정된다. 자세한 설명은 뒤에서 다시 하겠지만, 기본적으로 모든 물체는 질량 없이 존재할 수 없다. 그래서 힉스 입자는 ‘신의 입자’라고도 불린다.
소립자 물리학 이론은 기본적으로 소립자의 질량을 0으로 두고 계산해야 하는데, 실제 소립자에는 질량이 존재하지 않는가. 이대로라면 지금까지 세운 이론에 모순이 생기고 만다. 새로운 이론을 만들어야만 한다! 전 세계의 물리학자가 이러한 딜레마에 빠져 머리를 싸매고 고민했다.
그러던 1964년, 영국의 물리학자 피터 힉스가 ‘소립자에 질량을 부여하는 물질이 있는 것은 아닐까?’ 하고 미지의 소립자에 대한 예측을 내놓았다. 이것이 바로 ‘힉스 입자’다. 힉스 입자가 실제로 존재한다면 지금까지의 이론을 그대로 살리면서도 모순 없이 설명할 수 있다.
결국 힉스 입자의 개념이 등장하자 물리학계가 크게 들썩였다. 힉스 입자를 발견하기 위해 전 세계의 물리학자들이 발 벗고 나서기 시작한 것이다. - '힉스 입자는 ‘입자’가 아니다?!' 중에서

지금까지 16종류의 소립자를 소개했는데, 만약 힉스 입자가 존재하지 않는다면 이 16종류의 소립자들은 질량이 0, 다시 말해 질량이 없는 셈이 된다. 앞에서 광자와 글루온이 없으면 원자가 존재할 수 없다고 했다. 그런데 힉스 입자가 없어도 역시 원자는 존재할 수 없다. 왜 그럴까?
‘소립자의 질량이 0’이라는 말은 입자가 ‘항상 빛의 속도로 난다’는 뜻이다. 질량이 0인 입자는 항상 빛의 속도로 움직인다. 참고로 광자는 실제 질량이 0이다. 그래서 이름처럼 빛의 속도로 날아갈 수 있다. 여기서 흥미로운 점은 ‘질량이 0이면 움직임을 멈출 수가 없다’는 사실이다. 광자는 생성되는 그 순간부터 브레이크가 없어서 항상 빛의 속도로 날아다닌다. 그러다가 어떤 물질과 부딪쳐
반응(상호작용)하면 소멸한다. 단지 그것뿐이다. 이것이 질량이 0인 소립자의 운명이다. - '무게를 만들다! 힙스 입자' 중에서

초끈이론은 이런 것이다. ‘크기가 없는 점에 확장성을 주면 어떻게 될까?’ 앞서 말했듯 지구를 ‘점’이라고 생각하는 예도 그러한데, 보통은 ‘구’가 된다고 대답하기 쉽다. 그런데 기하학(도형에 대해 연구하는 학문)의 발상으로는 ‘점’이 확장되면 ‘선’이 된다. 점을 한 방향으로 쭉 잡아당기면 ‘선’이 되는 것이다. 그리고 ‘선’을 다시 위로 잡아당기면 ‘면’이 된다. 이를 0차원(크기가 없는 점), 1차원(선), 2차원(면)이라고 부른다.
면을 다시 잡아당기면 이번에는 주사위 모양이 된다. 이를 3차원이라고 한다. 그래서 ‘차원’이란 사실 ‘방향과 확장’이라는 의미다. 0차원(크가 없는 점)은 방향과 확장이 없다(0). 1차원(선)은 한 방향으로 확장된다. 2차원(면)은 두 방향으로 확장된다. 예컨대 x좌표와 y좌표가 있는 그래프용지를 떠올리면 이해하기 쉽다. 3차원이 되면 거기에 z좌표가 추가된다.
그리고 아인슈타인이 등장해서 4차원, 즉 네 번째 방향이 ‘시간’이라고 주장했다. ‘가로, 세로, 높이라는 3차원+시간이라는 축이 있으며, 이것이 바로 4차원이다’라고 말했던 것이다. 현재 이론에서 차원을 점점 확장하면 점(0차원) 다음으로 나오는 것이 선(1차원)이다. 이를 ‘끈’이라고 부른다. 그래서 “점입자였던 소립자가 확장된다=선이 된다”고 말하는 것이다. - '초끈이론이란?' 중에서

‘운동경기는 참가하는 데 의의가 있다’는 말이 있는데, 소립자물리학 역시 ‘상상’하는 데 의의가 있다. 이론쟁이가 공상을 펼치지 않으면 실험쟁이는 ‘그것’을 밝혀낼 수 없다. 이론쟁이 한 사람의 공상체계가 서서히 전 세계 이론쟁이들의 두뇌를 잠식하고, 이윽고 실험쟁이도 뛰어들어 다함께 정치가를 구워삶아서 몇 조 원에 달하는 실험 장치를 완성한다. 물론 그 돈은 다 국민의 혈세겠지만.
이렇게 냉정하게 분석하면 소립자 물리학이란 꽤 애물단지다. 그런데도 신기한 매력이 있어 우리를 꿈꾸게 한다. - '맺음말' 중에서