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미국 텍사스 중심부 달라스 시 남쪽. 언덕들이 굽이치는 땅에 거대한 건설 공 사가 있었습니다. 수십억 달러가 투입될 이 공사는 무려 83킬로미터에 이르는 터널에 세계에서 가장 큰 물리학 실험실을 만들기 위한 공사였 습니다 이 시설의 이름온 초전도 입자가속장치로서 첨단 기술에 관한 건설 공사로는 역사상 가장 규모가 큰 것이었습니다. 만약 완성되면 소립자 물리학에 관한 한 역사상 가장 뛰어 난 시설로 기록되었을 것이었지만 1986년에 시작된 이 공사는 엄청 난 공사비(80억 달러. 미국인 1인당 약 30달러에 해당하는 금액) 때문에 과 학계 안팎에서 십한 논란이 일어났고. 결국 1993년에 사실상 계획 중지 상태가되었습니다.
물질의 본질을 알아내는 것은 양파 껍질을 벗기는 것과도 같다고 합니다. 일반적인 원자는 핵과 전자로 이루어져 있습니다. 핵온 물론 기본적으로 양성자 와 중성자로 이루어져 있지만 수백 가지의 소립자들이 끊임없이 생겨나 고 홉수되며 돌아다니는 매우 복잡한 장소입니다. 그러나 이런 기본 자 듄도 진정한 의미의 기본 입자둘온 아닙니다.왜냐하면 이듄온 또 더 작은 입자듄로 이루어져 있기 때문입니다. 지금 우리는 모든 것의 이론이라고 불리는 궁 극적 이론을 발견하기 직전에 와 있습니다. 2천 년에 걸친 연구 끝에 인 간은 가장 기본적인 수준에서 이 우주가 어떻게 만들어졌고 어떻게 질 서가 잡혔는지 상세히 이해할 수 있는 시점에 다가선 것입니다. 이 이론 의 기초는매우간단합니다. 양성자와 중성자는 모든 원자의 핵 안에서 발견되는 수십 개의 입자 중 두 개에 불과한데요. 1950년대 초부터 물리학의 초점은 핵의 성 질에 관 한 연구에서 핵을 구성하는 입자들에 관한 연구로 옮겨졌습니다. 이 분 야는 소립자 물리학 혹온 고에너지 물리학이라고 불립니다. 지금 우리 는 이 입자들에 대해 그때보다는 훨씬 더 많은 것을 알고 있지만 아직도 소립자 묻리학온 미개척 분야로 남아 있습니다. 핵 안에 있는 입자에 관한 연구는 1930년대에 물리학자듄이 우주선 (m5mic ra》'S)을 관찰하면서 시작되었습니다. 주로 양성자인 이 고에너 지 입자둘은 별에서 태어나 우주 공간을 가로질러 날아와 지구로 쏟아 지게 됩니다.
우주선이 핵과 충돌하면 2 가지 일이 일어날 수 있습니다. 첫 째 핵이 붕괴되어 구성 입자듈이 밖으로 튀어나와 과학자들이 이것을봉 수 있게 되거나. 듄째 우주선의 운동 에너 지가 질량으로 변환되어 새 로운 입자가 만뚤어질 수 있습니다. 간단히 이야기하자면 1950년대까지 과학자들은 우주선이 핵과 충돌 할 때 태어나는 새로운 입자들을 십여 가지 발견했습니다. 이들은 매우 정확해서 마치 방사성 원소의 원자핵처럼 잠깐 동안만 존재하다가 붕 괴해서 디론 입자듄로 변했습니다. 오늘날 과학자듄온 입자가속장치라 고 하는 거대한 기계윤 만듄어서 우주선을 대신하는 양성자나 전자의 호옵을 인공적으로 만들어 충듄시킵니다. 그 견과 수백 개의 새로운 소 립자가 발견되기도합니다. 많은 수의 소립자가 발견되면서 한 가지 일반 원칙이 분명해졌습니 다.
즉 이 입자둘은 두 가지 그룹으로 나누어 봅 수 있다는 것입니다. 하 나는 구조에 관련된 것(압도적 다수가 이쪽에 속합니다)이고. 다른 하나는 힘과 관련된 것입니다. 양성자. 중성자. 전자 같온 것온 원자의 기본 구 성 요소로 첫 번째 그룹에 속하는 입자듄입니다. 그러니까 이듄온 뭄질 이라는 집을 이루는 벽듄인 셉이지요. 쌓는 방법에 따라 성질이 다른 묻 질을 얼마든지 만들어낼 수 있습니다. 가시광선의 양자인 광자는 두 번째 그룹에 속합니다. 이제 또 이야기하겠지만 전기를 띤 묻질 사이에서 광자가 이동함 후써 전자기력을 낳고 전자윤 궤도에 묶어둡니다. 일반적인 광자를 비롯해서 두 번째 그룹에 속하는 입자듄온 시맨트. 모르타르 같은 것이어서 벽돌 을 재자리에 불여놓는 구실을 합니다. 소립자 물리학 용어로는 이들을 게이지 입자로 불립니다.
그런데 벽돌 그룹 안에도 어떤 구분이 있습니다. 양성자와 중성자 같 온 입자들은 핵 안에 존재하면서 핵의 여러 가지 작용에 직접 관여합니 다. 이러한 입자들을 해드론(h:1dron)이라고 부르는데 이 단어는 그리2 어로 ·강하게 상호작용을 하는 것뜹 이라는 뜻입니다. 그에 비해 전자같은 입자들은 핵에서 면리 떨어져서 핵이 하는 일에 직접 관여하지 앞 습니다. 이런 입자들을 렙톤(lepton)이라고 부르는데 그리스어로 믹히 게 상호작용하는 것뜸 이라는 뜻입니다. 물리학자듄은 자연에 대해 한 가지 강한 편견을 지니고 있습니다. 아 들은 자연이란 깊이 들어가면 단순한 것이라고 믿습니다. 그러나 원자 수준 이하의 기본 입자· 들이 연이어 발견됩에 따라 자연의 모습온 점 점 복잡해지는 것 같습니다. 물리학자들은 이제까지 적어도 네 가지의 게이지 입자(광자. w입자와 z입자. 굴부은 중력자)와 여섯 가지 의 렙톤(전 자. 뮤온. 타우온 그리고 이들 세 가지와 각각 관련이 있는 세 가지의 뉴트리 노)． 그리고 핵 안에서 소용듄이치는 수백 가지의 해드론을 발견했습니다.
하지만 이 수백 가지의 입자둘이 모두 기본 입자 일 리는 없습니다. 기들이 모두 기본 입자라면 자연은 단순해야 한디는 뭄리학지둠의 믿음 >!Pe 어긋나는 것이기 때문입니다. 그런데 1960년대 말에 수백 가지의 해드론 사이에서 규칙적인 패턴 이 발견되면서 과학자듄온 해드론 자체가 기본 입자가 아니라 더 기본 적인 것들의 모임이라는 사실을 깨닫았습니다.
이렇게 한 단계 아래의 기본 요소불 쿼크(quark)라고 부릅니다드디어 소립자 뭄리학자듄온 안도의 한숨윤 내쉬었습니다. 쿼크라는 개념은 단순한 것이기 때문입니다. 과학자들온 여섯 가지의 쿼크가 있 다고 가정했습니다. 이 쿼크라는 벽듄을 쌓아 을리는 방법에 따라 수백 가지의 해드론이 탄생하는 것입니다. 양성자와 중성자는 각각 세 개의 쿼크로되어 있습니다.
여섯 개의 쿼크 중 가장 무거운 몹 쿼크는 1995년 미국의 테바트론 가속기욥 통해 반견되었습니다. 결국 모든 것은 쿼크와 갭본으로 되어 있습니다. 쿼크가 결합해서 해 드론이 되고 해드론이 모여서 원자핵을 이웁니다. 렙톤 그룹에 속해 있 는 전자는 궤도에 들어앉아 원자를 완성하고 이 원자들이 결합해서 우 리 주변의 무수한 뭄체를 만들어냅니다. 많은 문리학자듄은 1,500여 년 에 걸쳐 재기되어 온 문전이란 무엇인가? 라는 물음에 대한 답을 이제 곧 찾을 것이며 이로써 우주라는 양파의 마지막 껍질을 벗기게 되었다 고 생각하고 있습니다. 이들의 옳고 그욥온 시간이 가려줄 것입니다. 우리는 직관적으로 힘이라고 하면 무언가을 끌거나 미는 데 드는 근육 의 작용을 떠올립니다. 그러나 현대 물리학자들은 힘을 상당히 다른 관 점에서 보고 있습니다. 이듬은 모든 힘온 입자의 교환으로부터 나온다 고 생각합니다. 비유를 써서 설명하자면 이렇습니다. 두 명의 스케이트 신수가 서로 접근하는데 한쪽 선수가 뭄 한 동이롭 손에 듄고 있습니다.
갑자기 문동이을 든 선수가 그 뭄을 상대편에게 끼얹는다고 해봅시다. 그때 두 선수 모두 방향을 바꾸게 될 것입니다. 한쪽온 몸을 끼얹는 동 작 때문에 그리고 다른 한쪽은 물벼락의 충격 때문에 방향을 바꾸게 된 다는뜻입니다. 뉴턴의 운동 제1법칙에 의하면 어떤 물체의 방향이 바뀌기 위해서는 힘이 작용해야 합니다. 예로 돈 경우에 힘은 두 명의 선수가 교환한 뭄 때문인 것온 톨림없습니다(현대 뭄리학자라면 이 힘이 선에 의해 중개되었 다 라고 말할 것입니다)． 이 비유와 마찬가지로 물리학자들은 기본 입자 사이에 작용하는 모든 힘이 게이지 입자의 교환에 의해 중개된다고 믿 고있습니다. 예를 들어 두 개의 전자가 서로 접근할 때 일어나는 현상을 물리학자 듄은 이렇게 상상합니다. 뭄동이윤 가진 스케이트 선수처럼 한쪽 전자 가 광자를 내놓습니다.
다른 전자는 묻벼락윤 맞는 스케이트 선수처럼 강자릅 홉누합니다. 그 결과 두 전자는 서로 뭄러나고 이때 우리는 힘 이 작용했다 고 합니다 자석과 못처럼 큰 물체들 사이에 작용하는 힘도 이 두 개의 금속 덩어리 사이에서 엄청난 양의 광자가 교환되기 때문이 라고 생각됩니다자연을 움직이는 힘은 네 가지뿐입니다. 이 중 두 가지는 일상생활에 서 흔히 느낄 수 있는 우리와 매우 친숙한 힘입니다. 바로 중력과 전자 기력입니다. 나머지 두 힘은 핵의 수준에서 작용합니다. 하나는 강력(强 力)이라고 하는 데 양성자들 사이의 전기적 반발력을 누르고 이들을 핵 연 한데 묶어놓는 역할을 합니다. 다른 하나는 약력(ijij力)이라고 하는 데 핵과 중성자의 베타 붕괴 같은 현상과 관계가 있습니다. 세상에서 일 어나는모든일은이 네 가지 힘 중하나또는몇 가지가작용하는결과 입니다 이 네 가지의 힘은 서로 다른데 그것온 각각 작용할 때 교환하 는게이지 입자의 종류가다르기 때문입니다. 어떤 사물을 보거나 따뜻한 햇살이 피부에 와 닿는 것을 느낄 때 우리 는 광자의 존재를 인식할 수 있습니다 광자는 전자기 력의 작용에 관계 底게이지 입자로서 질량도 없고 전하를 띠지도 않으며 빛의 속도로 날아다닙니다.