입자 동물원

저자의 노트와 감사의 말 / 7
• 입자물리의 표준모형 / 10

1장 실체의 기본 성질 / 13
2장 입자 동물원에 들어가다 / 29
3장 물질의 중심으로 / 61
4장 검출되지 않는 쿼크 / 95
5장 힘이 약하다 / 121
6장 힉스 보손 / 143
7장 가장 거대한 실험 / 173
8장 중성미자에게도 볕 들 날이 있다 / 211
9장 어둠 속으로 / 243
10장 변화는 여기에서 시작된다 / 271
11장 아름다움을 찾아서 / 295
12장 새로운 물리학 / 321

• 역자 후기 / 328
• 부록1 수 표기법 설명 / 333
• 부록2 표준모형의 대칭들 / 335
• 부록3 용어 사전 / 339
• 찾아보기 / 346

이 책은 이런 입자들에 관한 이야기다. 입자는 무엇인지, 어떻게 행동하는지, 그리고 우리 주위의 세계에 어떤 확률로서 존재하는지에 관한 책이다. 동시에 이 입자들은 어디에서 왔으며 모든 것은 어떻게 시작되었는지, 그리고 그 끝은 어떻게 될 것인지에 대한 책이기도 하다. 이런 의문은 인간인 우리가 던질 수 있는 가장 큰 질문이며, 그 답을 찾는 과정에서 상상했던 것보다도 훨씬 더 기이한 우주의 모습이 드러났다. 이것은 우리가 아는 것에 대한 이야기이자 모르는 것에 대한 이야기이며, 더 많은 것을 알기 위한 탐색의 여정을 담은 이야기다. 이 책은 쿼크와 렙톤, 보손과 대칭에 관한 이야기이며, 지금까지 발견된 가장 작은 물질을 연구하기 위해 벌어진 역사상 가장 거대한 실험에 관한 이야기다.

빛알이 어떻게 힘을 전달할 수 있는지 예를 들어보겠다. 두 사람이 각자 스케이트보드 위에 서서 마주보고 있는 상황을 상상해보자. 그중 한 사람이 공을 앞으로 던지면, 그 사람은 뒤로 굴러가게 된다. 이것이 운동량 보존이다. 또 맞은편 사람이 그 공을 잡으면 그 사람 역시 굴러가는데, 이번에는 던진 공이 향하던 방향으로 굴러간다. 따라서 두 사람은 서로 마주보며 공을 던지고 받음으로써 서로 멀어지게 된다. 이것이 전자 2개가 충돌할 때 일어나는 일이다. 두 전자는 빛알을 교환하고, 서로 멀어지는 방향으로 움직인다.

20세기에 부상한 표준모형은 큰 성공을 거두었다. 이 이론은 지금까지 우리가 측정할 수 있었던 가장 높은 에너지에서의 우주, 그리고 가장 작은 규모의 우주를 설명한다. 우리는 이곳 지구 위의 연구실에서 입자를 연구함으로써 이 같은 입자들이 오늘날 우주 저편에서 어떻게 행동하는지를 알아낼 뿐만 아니라 빅뱅 이후 수백만분의 1초도 되지 않은 순간에 무슨 일이 있었는지도 알 수 있다. 사실 이 이론은 너무나 큰 성공을 거두어서 고전물리학과 비교하고 싶은 충동마저 느껴질 정도다. 물론 표준모형은 정확한 이론이지만 몇 가지 사소한 부분이 아직 미해결된 채 남아 있다. 아마도 앞으로 실험에서 새로운 내용이 발견되면 전체 태피스트리의 올을 푸는 하나의 실마리가 될지도 모른다.