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|  | 헤라르뒤스 토프트 |  | |
| 1999년도 노벨 물리학상은 우주의 모든 물질을 이루고 있는 아원자입자들과 그 입자들을 붙들고 있는 힘들의 성질을 수학적으로 예측하는 방법을 발전시킨 네덜란드인 과학자 2명에게 돌아갔다. 그들의 연구는 입자물리학을 탄탄한 수학적 토대 위에 올려놓았으며, 새로운 아원자입자인 t(top[상층] 또는 truth[진리])쿼크의 발견을 낳는 계기가 되었다. 스웨덴 왕립과학아카데미는 마르티뉘스 벨트만(Martinus J.G. Veltman)과 그의 대학원 제자였던 헤라르뒤스 토프트(Gerardus ´t Hooft)가 1960~70년대에 네덜란드 위트레흐트주립대학교에서 이룬 연구를 높이 평가해 노벨물리학상을 수여했다.
1931년 네덜란드에서 태어난 벨트만은 1963년 위트레흐트대학교에서 물리학 박사학위를 받고, 그 곳에서 재직하다가 1981년에 미국 앤아버에 있는 미시간대학교로 옮겨갔다. 토프트는 1946년 7월 5일 네덜란드 덴헬데르에서 태어나 1972년 위트레흐트대학교에서 박사학위를 받고, 1999년에는 물리학 교수로 재직했다. 벨트만과 토프트가 그들에게 노벨상을 안겨준 연구를 시작할 당시, ´표준모형´(standard model)이라는 입자물리학의 기본 이론은 불완전한 상태에 있었다. 입자물리학은 대형 입자가속기의 발달로 과학자들이 물질의 가장 기본적인 성분을 연구할 수 있게 된 1950년대에 생겨났다. 우주의 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 원자는 원자핵 주위에 전자 구름이 둘러싸고 있는 구조로 이루어져 있다. 모든 원자의 원자핵은 더 작은 아원자입자인 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 그리고 양성자와 중성자는 그보다 더 작은 입자들로 이루어져 있다.
표준모형에서는 모든 아원자입자, 즉 소립자를 쿼크와 경입자로 이루어진 3개 족(family)으로 분류한다. 표준모형은 자연계의 4가지 기본적인 힘 가운데 강력(强力)과 전기약력(전자기력)에 대해 쿼크들과 경입자들이 어떻게 다양한 ´입자 교환´을 통해 상호작용하는지 설명해 준다. 질량이 없는 8개 종류의 글루온(gluon) 입자가 강한 상호작용을 매개하며, 4가지 교환 입자(광자, W+, W-, Z)가 전기약력을 매개한다. 표준모형에서 물질의 구성입자를 최종적으로 완성시키는 것은 아주 무거운 힉스 입자이다. 힉스 입자는 그 존재가 예측되기만 했을 뿐, 아직 발견되지 않았다.
스웨덴 왕립과학아카데미는 ˝표준모형의 이론적 기초는 수학적으로 매우 불완전했으며, 특히 물리적 양을 자세하게 계산하는 데 그 이론을 사용할 수 있을지 불분명했다. 토프트와 벨트만은 이 이론을 확고한 수학적 기초 위에 올려놓은 업적으로 올해 노벨상 수상자로 선정되었다. 그들의 연구는 다른 과학자들에게 훌륭한 ´이론적 도구´를 제공했으며, 그것은 다른 무엇보다도 새로운 입자들의 성질을 예측하는 데 적용될 수 있다˝고 밝혔다.
1960년대에 과학자들은 공동연구를 통해 기본적인 힘 가운데 2가지, 즉 전자기력과 약력(弱力)을 통일하는 이론을 개발했다. 그것은 현재 전기약력이라 명명된 내재적인 하나의 힘이 2가지 형태의 힘으로 나타난다는 것을 보여주었다. 새 이론에 의해 W 입자와 Z 입자의 존재를 예측할 수 있었는데, 두 입자는 1983년에 확인되었다. 그러나 많은 과학자들은 전기약력 이론의 유효성에 대해 의문을 제기했다. 그 이론을 사용해 소립자의 성질을 계산하려고 시도할 때, 불합리한 결과가 나왔기 때문이다. 그 상황은 물리학의 또 다른 토대를 이루는 양자전기역학 이론이 납득할 수 없는 잘못된 결과를 내놓았던 1940년대의 상황과 비슷했다. 당시 그 문제는 과학자들이 양자전기역학을 유효하게 적용할 수 있는 이론으로 재규격화시키는 변환 방법을 개발함으로써 해결되었다.
1960년대 말 새로 교수로 임용된 벨트만은 전기약력 이론 역시 재규격화가 가능하다고 확신했다. 당시 박사과정에 있던 22세의 토프트는 1969년 초부터 벨트만의 연구에 합류했다. 스웨덴 왕립과학아카데미에 따르면 1971년 토프트는 획기적인 연구성과를 담은 논문 2편을 발표했다. 벨트만이 개발한 컴퓨터 프로그램의 도움으로 벨트만과 토프트는 전기약력 이론을 확고한 수학적 기초 위에 올려놓는 연구를 완성시켰다.
벨트만과 토프트는 즉시 전기약력 이론에 의해 예측한 W 입자와 Z 입자의 성질을 확인하는 데 새로운 지식을 적용했다. 물리학자들은 이 연구를 토대로 입자가속기를 이용한 실험을 실시해 마침내 W 입자와 Z 입자를 발견하는 데 성공했다. 물리학자들은 벨트만과 토프트의 방법을 적용해 t쿼크의 질량을 예측함으로써 t쿼크의 발견도 앞당겼다.
다음 단계에 이루어질 위대한 발견이 있다면 필시 표준모형에서 그 존재를 예측하고 있는 힉스 입자의 확인이 될 것이다. 그러나 스웨덴 왕립과학아카데미는 더 강력한 입자가속기인 대형하드론충돌가속기가 작동되는 2005년까지는 힉스 입자의 존재를 확인하기 어려울 것이라고 밝혔다.
Michael Woods 글 | 이충호 옮김
by http://preview.britannica.co.kr/spotlights/nobel/ |
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