이 책은 신의 입자를 찾아서 ‘힉스’라는 제목에서 보듯이 힉스입자와 그것을 찾기 위해 고군분투했던 수많은 물리학자들의 ‘탐사’이야기입니다. 솔직히 저는 물리학과를 나오지도 않고 문과를 나와서 고등학교 과학시간에 과학을 배우고 일반과학서적을 간간히 배운 것이 과학지식의 전부라 이 책에 나오는 수많은 입자물리학의 이론들에 대해서 이해하기가 쉽지 않았습니다.

차분하게 제가 이전까지 배우고 이 책에서 이해해 본 것을 정리해 보자면, 데모크리토스와 같은 고대 그리스 철학자로부터 오늘날에 이르기까지 많은 사람들의 가장 큰 궁금증 중의 하나는 과연 물질이 무엇으로 이루어져 있느냐는 것이었죠. 데모크리토스는 이것을 더 이상 나눌 수 없다는 뜻의 원자(Atom)로 불렀고 그 후 2000년 뒤 돌턴은 근대적인 원자론을 제창했습니다. 하지만 원자 내부에 전기를 띤 전자가 있다는 것이 알려지면서 원자가 쪼개지지 않는다는 신념에 금이 가기 시작했고 궁극의 알갱이를 알아내기 위한 머나먼 여정이 다시 시작되게 되었습니다.

여기서 분자의 개념은 '물질의 성질을 갖는 가장 작은 입자'이고 원자는 ‘화학적인 반응으로 분해할 수 없는 가장 작은 입자’입니다. 이 책에서 과학자들이 추구하는 것들은 입자물리학에서 물리적으로 쪼갤 수 있는 가장 작은 입자가 무엇인가 하는 것입니다. 가속기로 입자간 강한 충돌을 통해서 물리적으로 쪼개는 방식으로 많은 입자들이 발견되었고 지금도 계속 실험을 계속되고 있습니다. 우선 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있습니다. 또 양성자와 중성자는 쿼크라는 입자로 나눌 수 있습니다.

이 책에 나오는 '표준모형‘에 따르면 자연계의 모든 물질은 6개의 중입자(쿼크)와 6개의 경입자(렙톤), 그리고 이들의 반입자로 구성되어 있습니다. 또한 이들 입자 사이에는 네 가지 기본 힘(중력, 전자기력, 약력, 강력)이 존재하고 게이지 입자라고 하여 네 가지 힘에는 각각의 힘을 매개하는 입자가 있는데, 중력을 매개하는 중력자, 전자기력을 매개하는 광자, 약력을 매개하는 W와 Z입자, 강한 핵력을 매개하는 글루온이 그것입니다.

그런데 문제는 이 입자들은 질량이 없어서 힉스 메커니즘이라는 가설을 도입하여, 입자에 질량을 부여하는 과정을 설명하면서 질량을 만들어 내는 힉스 입자가 존재한다는 가정을 세우게 됩니다. 이 힉스 입자는 영국출신의 이론물리학자 힉스의 이름을 따라 명명되었고 그 존재가 질량의 근원과 우주 생성의 비밀을 밝혀낼 단서가 된다는 점에서 이 책의 제목이기도 한 신의 입자라고도 불리고 있습니다.

자연 속에서 관찰되지 않기 때문에 거대한 입자 가속기로 입자를 충돌시켜 힉스 입자의 존재를 밝히는 실험이 진행되었습니다. 드디어 2012년 7월 4일 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기로 실시된 힉스 입자가 붕괴하면서 발생하는 입자를 관측하여 힉스 입자의 존재를 증명하는 연구를 통해서 2013년 3월 14일 CERN에서 힉스 보손의 발견을 공식으로 밝히면서 입자는 실재하다는 것이 증명되었습니다.

힉스입자의 발견은 물리학의 숙제인 '가장 근본적인 물질'이 무엇인지 찾는 작업의 결정판이라고 해도 과언이 아닙니다. 그러나 그 발견에도 불구하고 아직 풀리지 않은 문제들이 많습니다. 우선 힉스 입자가 다른 입자들과 어떻게 상호작용해야하는지 그리고 질량은 어느 정도여야 하는지에 대해서 대체적인 설명밖에 내놓지 못하고 있다고 합니다.

이 책은 과학지식이 일천한 저에게는 조금 어렵긴 했지만 전통적으로 가장 저명한 과학 대중서를 발간하는 사이언티픽 아메리칸의 과학서라 일단 믿고 읽어 내려 갈 수 있었고 그 노력은 헛되지 않은 즐거움을 주었습니다. 힉스 입자와 함께 현대 물리학의 최전선을 탐구해보고 싶은 분들에게 일독을 권합니다.

 어떤 사람들은 꽃을 보고 그 아름다움을 노래한다. 또 어떤 사람들은 그것이 어떻게 꽃을 피우는 지 탐구하고 또 다른 사람들은 그것이 무엇으로 이루어졌는지를 고민한다. 입자물리학자들이 무엇으로 이루어졌는가를 고민하고 탐구하는 사람들일 것이다. 이 책은 이 세상을 구성하고 있는 모든 물질의 가장 단순화된 단계를 찾아 나서는 사람들의 이야기를 담고 있는 책이라고 말해도 될 것이다.

 솔직히 이 책의 1-1장을 읽기 시작하면서 든 생각은 내가 알고자 한 것을 제대로 이해할 수 있을까하는 거였다. 입자물리학 근처도 가본 적 없는 일반인이 이 책에서 얻고자 하는 것은 단순하다. 입자물리학이 뭔지, 힉스입자가 발견되었다는 소리는 대중매체를 통해 듣긴 했는데 그게 뭔지, 그리고 그 입자의 발견이 과학과 우리의 미래에 어떠한 영향을 줄지 정도다. 그런데 상당히 어렵다. 그래서 알 수 있는 만큼만 이해해 보자는 심정으로 천천히 읽어나갔다. 다행스러운 것은 굉장히 많은 전문가들이 발표한 글들로 이루어져 있다 보니 반복되는 내용도 많고 앞에서 설명되지 않은 부분이 보완이 되기도 하면서 몰랐던 내용을 되새김질 시키고 보충해준다는 점이다.

  우주를 구성하고 우주 안에 존재하는 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며 이 원자는 핵과 전자들로 구성되며 핵은 중성자와 양성자로 구성되어 있다. 이들 보다 더 작은, 더 이상 나누어질 수 없는 입자인 쿼크와 경입자, 그리고 그들에게 질량을 부여해 줄 힉스 입자를 찾아가는 과정을 보여준다. 이 기본 입자들과 그 상호작용에 관한 모형을 ‘표준 모형’이라고 부르며 이것은 수학적 구조로 표현가능 하다고 하는데 솔직히 이 ‘게이지 이론’이라는 것이 이해가 되지는 않는다. 하지만 이 표준 모형 안에 본적도 없고 발견된 적도 없는 힉스 입자의 존재를 확신하며 그것을 증명하기 위해 노력하는 입자물리학자의 부단한 노력은 책을 읽는 독자에게도 그대로 전해진다.

 이 힉스 입자를 발견하기 위해선 길이가 30Km가 넘고 전자와 양전자를 거의 빛의 속도로 충돌 시킬 수 있는 국제선형가속기가 필요하다고 하는데 그 비용이 어마어마하다. 그럼에도 불구하고 이 LHC는 우여곡절 끝에 가동이되고 그토록 기다리던 힉스입자를 발견하게 된다. 물론 불분명한 부분이 존재해서 완벽한 발견이라 하긴 어패가 있지만 입자물리학엔 큰 획을 그은 발견이다.

  입자물리학은 우주란 무엇인가 어떻게 시작 되었는가에 대한 의문을 풀어가고 있으며 이제 힉스보손을 발견함으로 그 다음 단계로 나아가기 위한 단초가 되었다. 인간의 능력이 어디까지 이르게 될지 모르겠지만 끊임없이 앞을 보고 나아가는 물리학자들에게 박수를 보낸다. 이 책을 통해 입자물리학과 힉스입자에 대한 무지를 조금이나마 깨트릴 수 있어서 다행이었다는 생각을 해본다.

힉스! 이미 그가 자신의 대담한 가설을 발표했을 당시부터, 진지한 다수 과학자나 저널에선 그의 입장이 단순한 가설을 넘어, 언젠가 발견되고야 말 확증에 의해 뒷받칭될 진리라고들 여겼습니다. 2013년 CERN이 보유한 입자가속기(LHC) 덕분에 문제의 입자를 발견하고, 그의 이론은 드디어 확고한 토대를 마련하게 되었습니다. 노벨 상이란 건 물론 도널드 트럼프도 내심으로는 원하는 지상 최대의 영예이지만, 물질계 궁극의 원리를 구명하는 이론이 (현재까지로선) 심각한 보완이나 대체의 필요성 없이 그대로 그 자리를 유지하게 되었다는사실만으로도, 그의 업적은 일개 상 따위의 존부에 의해 경중이 가려질 만한 게 아닙니다.

책 제목은 그저 "힉스"입니다. 여태 미디어에 의해 "신의 입자"로 다소 거창한 별명이 붙은 이래 많은 대중서들이 출간되었지만, 어떤 책은 교과서나 다를 바 없이 건조한 설명 일색이고, 어떤 책은 주제에서 이탈한 잡담의 비중이 더 높습니다. 주제에 충실하면서도 내용의 깊이, 정합성도 희생하지 않는 대중서가 필요한데, SA 시리즈가 유독 힉스라는 물리학자 한 분에만 초점을 두고 평소와 비슷한 볼륨으로 새 책을 내었습니다. 저 개인적으로는, 차라리 힉스라는 주제, 글감보다, SA 시리즈의 브랜드 파워(?)가 더 큰 기대를 부르는 요인인 듯하게 다가왔습니다. 그만큼 이 기획에 대해 신뢰가 크고 여태 만족도 해 왔다는 뜻입니다.

우리는 고교 교육 과정에서 전체가 두 파트, 즉 실수부와 허수부로 나뉘는 복소수란 범주를 배운 적 있습니다(요즘 아이들은 안 배울 수도 있겠네요). 엄연히 실수도 복소수에 포함되며, 단지 허수부의 i 계수가 0일 뿐입니다. 실제 세계에서, 제곱할 때 음(-)이 되는 수는 존재하지 않기에 저걸 허수(imaginary number)라 이름 붙인 건데, 이 책 1-2 "힘과 기본 입자 사이의 게이지 이론"을 보면 특히 p49이하에서 왜 허수가 도입되어야 하는지 잘 설명해 줍니다. 그러니 이 분야를 연구하는 물리학자들에게, 허수는 "허(虛)"하기는커녕 그보다 더한 실감으로 다가올 수도 없을 만큼 절실(實)한 도구이고 존재입니다.

얼마 전 읽은 책에서 지구상 물질을 화학적으로 가장 작게 쪼개면 우리가 화학시간에 배웠던 원소기호와 같은 원자들이 되고, 물리적으로 쪼개면 전자와 핵, 그리고 핵 속의 쿼크 같이 쪼갤 수 있다고 합니다. 눈으로 볼 수 없지만 물리적으로는 더 작은 뭔가 있다는 이론을 바탕으로 이를 증명하려는 노력들을 전세계 과학자들이 하고 있다고 합니다.

물리학에서 입자가 질량을 가지기 위해서는 중력장이나 전자기장과 같은 장(field)이 존재해야 하며, 그 장에 파동을 만들어내는 대응 입자가 있어야 한다고 합니다. 장이란 어떤 구역의 모든 점에서 정의되는 양으로 정의됩니다. 이러한 이론에 대한 상대론적 모형을 처음 만든 사람이 물리학자 ‘피터 힉스’입니다. 힉스 장에서는 어떤 변화가 없으면 파동이 생기지 않기 때문에, 파동을 일으키기 위해 입자가속기에서 양성자를 거의 빛의 속도로 가속하여 높은 에너지로 충돌시켜야 합니다. 이를 통해서 힉스 입자의 존재를 확인 할 수 있기 때문에, 과거의 이론에서 실제 존재를 입증한 것은 2012년이 되어서 성공하였습니다.

우리가 몸무게처럼 무거운 것을 정의할 때 사용하는 질량은 전체에서 일부에 불과하다고 합니다. 코끼리가 개미보다 더 많은 원자로 이루어졌기 때문에 질량이 무겁다고 당연하게 생각하지만, 원자의 질량은 어떻게 결정이 되는지? 원자를 구성하는 기본 입자의 질량은 무엇인지? 에 대해서 명확히 알고 있지 못했습니다. 그러한 물리학계의 궁금증을 풀어주는 것이 힉스이기 때문에, 세상의 근본을 알기 위한 아주 중요한 존재라는 것을 이 책을 통해 알 수 있었습니다. 이 책은 현재 공부하는 중고등학생들이 필요로 하는 지식 수준을 넘는 상세한 내용을 담고 있기 때문에, 힉스에 관심 있는 학생이나 준전문가 수준이 되고 싶은 일반인들에게는 많은 도움과 충분한 지식을 전달할 것이라 생각합니다.

물질을 구성하는 원소들이 발견하고 그 특징을 하나씩 알아 내었듯이, 힉스에 대한 연구가 계속 되리라 생각합니다. 전문가가 아닌 일반인으로서는 과학 상식으로만 필요한 힉스 입자가, 미래의 어느 시점에는 질량에 대한 궁금증을 모두 풀어줄 것 기대가 됩니다. ^^

너무 만만하게 생각했나보다. 한림 SA 시리즈가 연구자들뿐 아니라 과학을 좋아하는 일반인들도 쉽게 읽을 수 있는 책이라는 생각에 무턱대고 덤벼들었다. 그런데 이 책은 앞서 읽었던 책들과는 조금 다르게 다가왔다. 솔직하게 말하자면 이해하는 게 정말 힘들었다.

힉스라는 단어는 말 그대로 단어만 한두 번 들어본 정도이다. 그런데도 ‘어려워봤자 얼마나 어렵겠어’라는 마음으로 당당하게 첫 페이지를 펼쳐들었다. 헉, 이게 왠일인지. ‘들어가며’에 실린 2페이지의 내용도 쉽게 머릿속에 들어오지 않는다. 무슨 말인지 도통 모르겠다는 생각뿐이었다.

그래도 포기할 수는 없었다. ‘힉스’에 대해 궁금한 건 사실이니까. 1부 표준 모형, 2부 분명히 존재하는 입자, 3부 계속되는 탐색, 4부 게임은 진행 중, 5부 힉스 입자를 넘어서, 총 5부로 구성된 책을 읽는데 1부를 보다 어려워 2부로, 2부를 보다 역시 어려워 3부로, 이렇게 왔다 갔다 하면서 읽다보니 내용은 더욱 머릿속에 들어오지 않았다.

물질의 기본 구성 요소와 이들이 상호작용하는 기본 힘을 설명하는 표준모형을 먼저 알아야 진도가 나갈 수 있음을 깨닫고 인터넷으로 찾아보기 시작했다. 여전히 어려웠지만 그래도 조금이나마 이해할 수 있게 되었다.

표준모형에 의하면, 물질은 쿼크와 경입자로 이루어져 있고, 이들은 중력, 전자기력, 약력, 강력의 4가지 힘을 통해서 상호작용한다. 다만 표준모형은 아직 완성된 이론이 아니다. 바로 힉스 보손 때문이다. 힉스 보손은 모든 기본 입자의 질량을 만들어내는 입자로 여겨지지만 아직 이를 증명할 증거를 찾지 못했다고 한다. 힉스 보손을 분명하게 확인할 수 있으면 우주를 설명하는데 큰 도움을 받을 수 있다고 한다. 즉, 힉스 보손을 통해 우주론이 얼마나 실제적인지를 증명할 수 있다고 한다.

책에 실린 다양한 논문들 중 이해할 수 있는 논문이 여전히 많지 않지만 호기심이 더 커진 것만큼은 분명하다. 물론 연구자가 아닌 일반인으로서의 호기심 정도이지만. 앞으로 조금 더 찾아서 공부해보련다. 힉스 보손이 어떤지, 언제 그 존재가 증명될지 관심을 가지고 말이다.

모든 물질은 질량을 갖고 있다는 사실을 이해하고 있지만 왜? 질량을 갖고
있을까 하고 생각해 본적은 아마 없는것 같다.
이미 누군가가 걸어간 길을 따라가거나 따라 갈 수 밖에 없었을 수동적
교육의 폐해를 말하고자 함이 아니라 근본적인 물음에 대한 대답에 대해
생각조차 해 보지 않고 기정 사실인양 받아들인 우리의 의식에도 분명
문제는 있다고 하겠다.
사설이 길어 졌지만 모든 물질에 질량이 존재한다는 사실은 물질이 질량을
갖게 하는 눈에는 보이지 않는 힉스라는 입자의 존재가 있다는 사실을
발견했다는 점을 통해 우리가 지향해야 하는 근본적 물음의 왜?를 다시
떠올려 보아야 한다는 생각을 해 본다.

이 책 "신의 입자를 찾아서 힉스"는 우주의 탄생과 현실의 근본적인 물질
들에 대해 수학과 물리학이 보여주는 이론적 설명과 배경들에는 무언가
빠져 있는듯 한 빈약함이 존재했음을 볼 때 학자들이 놓친 부분에서의
노력의 산물을 입자 과학자들이 찾아내고 모든 물질에 관여하는 질량의
부과에 대한 이유를 다양한 학자들의 연구와 이론을 바탕으로 추적해 갈
수 있는 즐거움을 만끽하게 해주는 책으로 30년 이상의 사이언티픽 아메리칸
과학저널에 실린 물리학, 입자물리학의 발전을 오롯이 지켜 볼 수 있는
책이다.

인간이 생각할 수 없는 초미세, 초극대의 것들을 통해 물질의 구성에 얽힌
비밀을 밝혀내는 과정과 물질에 질량을 부여하는 힉스 보손의 발견, 물질에
작용하는 3가지 힘의 작용, 가설을 세우고 증명하는 현대 과학의 한 축으로
현대 물리학의 실증적 실험이 이론적 물리학으로 파생되어 물리학계의
다양한 문제들을 증명하고 있음을 볼 수 있다.

뛰어난 사람들은 이론의 완결성을 의심하는것 같다.
이론적 완결성이 아니라면 "거기에 있을 것" 이라고 생각 할 수 있는 근거가
부족하며 물질의 근본에 대한 끝없는 탐구에 신의 입자라고 하는 힉스의
발견을 이끌어 내지도 못했을 것이다.
어렵고 힘들것이라는 생각보다는 꼼꼼히 읽으며 이해하고 넘어갈 때 우리는
신의 입자인 힉스의 존재가 거기에 존재 하고 있다는 사실을 깨달을 수 있을
것이다.

 ＜신의 입자를 찾아서, 힉스＞는 1980년에서 2012년까지 사이언티픽 아메리칸(Scientific American)이란 과학저널에 소개된 입자 물리학을 다룬 내용 가운데 주목할만한 것들을 추려 정리한 것이다. 수십 년에 걸쳐 발표된 저작들이기에 시기에 따라 집필 당시에 밝혀진 것들과 집필 당시까지 밝혀지지 않았던 것들이 혼재되어 있지만 공통적으로 입자 물리학이 걸어온 길을 다루기 때문에 전체적 맥락을 이해하는데 어려움은 없도록 구성되었다. 

이 서적은 1960년대 물리학자 피터 힉스가 정리한 힉스보손에 관한 이론 물리학적 내용에 관해 물질의 기본 구성요소, 표준모형, 표준 모형의 입자와 스핀, 초대칭 이론에 대해 물리학자들이 힉스보손의 존재 이유가 얼마나 중요한 의미를 지니고 있는지 힉스보손이 존재해야 이론적으로 통일된 이론이 증명되는가에 대한 설명(1~2장)과 힉스보손을 찾기 위해 막대한 예산이 들어간 대형입자 충돌기 사이의 경쟁상황(3장)에서의 기대감, 마침내 힉스 보손의 발견을 발표한 역사적인 순간을 맞이한 ATRAS팀과 CMS팀의 역사적 발표 당시의 감격적인 순간(4장), 그 이후의 과제(5장)에 대한 내용을 담고 있다.

힉스 보손은 2012년 7월 4일 많은 과학자들의 예상보다 늦게 입자의 존재를 발견했다는 발표가 나왔다. 페르미 연구소의 강입자 충돌기에서 발견 가능성이 높다고 기대했으나 실패하고 1999년 미의회 에서는 SCC 계획을 중단하며 모든 기대는 제네바의 LHC로 쏠렸다. 하지만 큰 사고와 문제점으로 인해 2008년 완공 예정이던 LHC는 2011년 정상가동을 시작하고 드디어 2012년 7월 세계에 공식적인 발표를 하기까지 수많은 이론 물리학자와 실험 물리학자가 입자물리학의 마지막 조각인 힉스입자의 발견을 고대하였다. 이 서적은 1장부터 2장까지는 표준모형과, 힉스보손, 초대칭 이론, 게이지이론에 대한 설명을 물리학자들이 사이언티픽 아메리칸에 발표한 논물을 발췌해 수록하고 있다. 1-3, 1-4, 2-3의 설명이 일반인들도 이해하기 쉽게 설명되어 있고 2-3의 마지막 그림과 3-5의 마지막 그림을 참조하면 표준모형과 힉스 보손에 대한 이해를 한층 높여줄 것이므로 반복해서 읽은 후 다른 부분을 읽는 다면 이해가 더욱 쉬울 것으로 판단된다.

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이 서적은 이론 물리학을 전혀 모르는 독자에게 초반부이 내용은 쉽지 않을 것으로 생각된다. 하지만 끈기 있게 읽는 독자들에게 성취감을 느끼게 해준다. 대학에서 물리를 배웠거나 힉스 보손, 우주의 ‘검은 계곡’에 관심이 있는 독자들에게는 가슴 벅찬 감동도 느낄 수 있을 것으로 기대된다. 자발 대칭을 통해 진공 기대 값을 갖게 돼, 유카와 상호작용에 의해 페르미온에 질량을 주는 과정을 힉스 메커니즘이라 하고, 수소원자의 약 125배인 힉스입자의 발견으로 인해 우주가 가속팽창을 일으킨다는 관측결과를 설명할 수 있음은 물론 원자의 존재이유, 화학의 존재이유, 안정된 구조가 왜 존재하는가에 중요성을 강조한 부분과 초대칭 이론, 표준모형에 상세한 설명은 힉스 보손에 대한 이론을 깔끔하게 정리할 수 있게 해주는 부분이었다.

신의 입자라 불리던 힉스입자에 관심 있는 독자들에게 풍부한 이론적 설명과 LHC가 지닌 중요한 의미를 제공해 주는 고마운 서적으로 추천하고 싶다.

과학자들의 호기심은 경의를 표한다. 그와 동시에 신의 입자를 찾으려고 그렇게까지 해야 하는 이유가 뭘까? 그렇게 많은 보상이 있는 것도 아닌데. 근데 이 책을 읽으면 그럴만하다라는 생각이 들었다. 어찌되든 아주 조금이나마 발견한 건 사실이니까. 거기에 따른 수많은 저명한 학자들, 수많은 프로젝트들. 수조를 써가면서 미친짓들을 벌인 사람들 그런 사람들의 이야기인데, 아주 흥미로웠다. 만약에 신의 입자를 찾으면 우주의 근원을 찾아낼 수 있는 상황일 지도 모른다는 생각이 아닐까. 정말 우주가 궁금해지려고 생각하기 위한 과학자들이 미친짓이 아닐까 싶었다.

이 책의 마지막 부분을 보면, 통일 이론을 생각하고 있다. 통일이론이라고 생각해봤자 별거 없고, 그냥 최초의 이론을 얻으려고 계속하는 사람들이 있을 것이다. 종교적인 갈등도 약간은 감수해야 할 것이다. 조금 아쉬운 건, 이 책에선 초지능이 언급하지 않았다. 물리학을 바탕으로 쓰여졌기 때문에 물리학을 파괴하는 그 어떤 것도 쓰고 싶지 않았을 것이다. 뭐 그래도 내 결론은 충분히 흥미롭게 읽을 수 있고, 쭉쭉 넘어갔다. 향후에 무슨 일이 일어나는 간에 통일장 이론, 만물이 이론이 내가 살아서 나오든, 내가 죽은 이후에 나오든, 반드시 나올 거 같긴 하다. 서기 3000년이라는 책엔 누군가가 그 일을 했다는 언급이 있긴 했는데(여기선 언급하진 않겠다), 과연 누가 할까? 그게 부쩍 궁금해졌다.