신의 입자를 찾아서 힉스 - 사이언티픽 아메리칸 편집부

힉스 - 신의 입자를 찾아서 ㅣ 한림 SA: 사이언티픽 아메리칸 20
사이언티픽 아메리칸 편집부 엮음, 김일선 옮김 / 한림출판사 / 2018년 4월

<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. 

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 작년 이맘 때, 리사 랜들의 <천국의 문을 두드리며>를 읽으며 현대 물리학이 다루는 엄청난 영역을 경험한 바 있다. 내용이 생소한 부분이 많아 책장을 넘기는데 어려움이 많았지만 그 책을 통해 물리학은 광년(light year), AU(astronomical unit)에서부터 소수점 20자리를 넘는 초미세 영역까지 인간이 상상할 수 있는 모든 크기를 다루고 있음을 알게 됐다(양쪽 극단은 상상조차 어려운 크기이다).

 어떤 것을 이해하기 위해서는 그것을 구성하는 기본 입자가 무엇이며 기본 입자들이 어떤 상호작용을 하고 있는지를 파악하는 것이 중요하다. 우리가 사는 '세상' 또한 마찬가지다. 현대 물리학이 추구하는 바는 만물의 기본 입자와 상호작용을 밝혀내는 것이다. 현재까지 밝혀진 바로는 물질은 6가지의 경입자(Leptons 전자, 뮤온, 타우, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자)와 6가지의 쿼크(Quarks 위쿼크, 아래쿼크, 맵시쿼크, 기묘쿼크, 꼭대기쿼크, 바닥쿼크)로 구성되어 있다. 여기에 질량의 입자라 칭해지는 양자 수준에서의 힘을 전달하는 매개체가 존재하는데 이것을 보손(Boson)이라 부른다. 보손은 광자(photon), Z 보손, W 보손, 글루온(gluon), 힉스(higgs) 보손이 발견되었다. 물질을 구성하는 기본 입자들 간에 전자기력, 약력, 강력의 3가지 힘이 작용하여 물질의 특성을 띠게 된다. 물리학을 지배하는 4가지 힘 가운데 중력을 제외한 3가지 힘이 작용하고 있는 것이다.

 중력은 논외로 한다면 전자기력, 약력, 강력의 3가지 힘을 동일한 수학적 구조로 설명할 수 있는데 이를 게이지 불변 장 이론(gauge invariant field theory) 또는 줄여서 게이지 이론이라 한다. 힘이 입자들 사이에 작용하기 위해서는 이를 매개하는 장(field)이 필요하고 장은 보손(gauge boson)이라는 매개 입자로 볼 수 있다. 전자와 양전자 사이의 상호작용을 매개하는 게이지 보손은 광자이며,  강입자 내부의 쿼크를 붙들고 있는 게이지 보손은 글루온(gluon)이라는 이름을 가진다. 약력을 매개하는 게이지 보손은 W+, W-, Z0, 그리고 힉스 입자이다.
 모든 물질은 6개의 경입자와 18개의 쿼크(쿼크의 색상을 첨가했을 때 하나의 쿼크가 3가지로 구분될 수 있다)로 설명 가능하고 물질 사이의 복잡한 상호작용도 광자, 8개의 글루온, 3개의 약한 보손(W-, W+, Z0), 그리고 힉스 보손으로 설명 가능하다.

 가설을 세우고 실험을 통해 가설의 증명을 받은 후 합당한 이론으로 인정받는 과정은 현대과학의 주축을 담당하고 있다. 현대물리학이 다루는 영역은 워낙 광범위하기 때문에 실험이 어려운 상황(우주를 상대로 실험을 할 수는 없으며, 눈에 보이지 않는 미세 입자를 육안으로 관찰할 수도 없다)이 많고 이에 대한 대안으로 수학적 논리에 근거한 이론 물리학이 발달하게 됐다. 과거 증명할 수단이 없었기 때문에 이론에 머물렀던 많은 것들은 기술의 발달과 실험설비의 발전으로 점차 실험적으로 증명되고 있다. 힉스 입자(Higgs Boson) 또한 50여년 전 존재할 것이라는 가설에서 시작해 이론적으로 그 존재를 확신했지만 실험적으로 증명하지 못한 것 가운데 하나였지만 2013년 유럽입자물리 연구소(CERN)에서 대형강입자충돌기(Large Hadron Collider, LHC)를 사용하여 발견했다. 힉스 보손의 발견으로 인해 입자물리학이 추구하던 표준모형을 완성할 수 있었으며 표준모형에 포함된 여러 입자들의 상호작용을 설명하는데 큰 도움을 얻게 되었다.

 

 <신의 입자를 찾아서, 힉스>는 긴 시간동안 물리학자들이 '거기에 있을 것'이라고 생각했던 '그 입자', 즉 힉스 보손을 찾아가는 과정을 그리고 있으며 어떤 지식적 배경을 토대로 힉스 입자를 추측하고 밝혀 냈는지를 설명하고 있다.

 인류가 이성적 사고를 바탕으로 물질의 근원에 대한 탐구를 시행한 것은 인류 역사와 그 궤를 같이한다. 우리와 우리가 사는 세계는 무엇으로 이루어졌을까 하는 의문은 끊임없이 제기되었고 그에 대한 해답 또한 수많은 학자들로부터 쏟아져 나왔다. 과학적 토대가 정립되지 않았던 시절에는 그저 육안에 의존해 설명할 수 있는 수준에 머물던 것이 기술의 발전과 함께 분자수준, 원자수준, 아원자수진, 미세입자 수준에까지 도달했으며 이제는 실험적 결과를 토대로 실체를 추적해 모형을 구성하는 단계에 이르렀다. 현재까지 밝혀진 바에 따르면 원자는 핵과 전자로 구성되고 핵은 양성자 중성자로 구성되며 양성자와 중성자는 쿼크로 구성된다. 다수의 물리학자들은 쿼크 이하의 미세구조는 존재하지 않을 것이라 전망하지만 과학의 진보가 새로운 진실을 밝혀냈듯 또 어떤 가설이 등장해 이론으로 인정받을 여지가 있기 때문에 쿼크 이하의 구조는 없으리라 단정할 수는 없다.

 대통일이론(Grand Unified Theory)으로 전자기력, 약력, 강력을 동시에 설명할 수 있는 원리를 찾는 것처럼 현재까지 밝혀진 물질의 기본 입자의 종류가 너무 많기 때문에 더 간결하게 설명할 수 있는 기본 요소를 찾는 연구는 멈추지 않을 것으로 생각된다.

 현대 과학을 다루는 서적이 그렇듯 <신의 입자를 찾아서, 힉스> 또한 쉽지 않으며 저자들은 일반인들을 위해 쉽게 풀이했을테지만 내용을 온전히 이해하기란 역부족임을 느낀다. '보통'의 지적 능력을 지닌 나와 같은 분들을 위해 조언을 하자면 1-1(기본 입자와 힘)과 1-4(쿼트와 경입자의 구조)를 먼저 읽은 후 다른 장을 읽는 것이 힉스 입자를 이해하기 용이할 것이라 생각한다. 

모스크바 수학퍼즐 - 보리스 A 코르뎀스키

뇌가 섹시해지는 모스크바 수학퍼즐 2단계 - 수학을 좋아하는 사람들을 위한 레크리에이션 플레이북 ㅣ 섹시한 두뇌계발 시리즈 5
보리스 A. 코르뎀스키 지음, 김지원 옮김, 박종하 감수 / 비전비엔피(비전코리아,애플북스) / 2018년 4월

 우리는 어렸을 때부터 다양한 퀴즈와 퍼즐을 접한다. 알쏭달쏭한 문제를 만나 머리를 혹사시키다 보면 어느덧 시간은 훌쩍 지나 있곤 한다. 

 이번에 소개할 서적은 <모스크바 수학퍼즐> 2단계이다. 대수학으로 시작해 150가지 정도의 문제를 담고 있다. 어떤 것은 직관적으로, 어떤 것은 노트에 풀이를 적어가며 답을 구해야 한다.

 나를 포함한 많은 사람들은 고등학교 이후 수학을 등한시한다. 때문에 미적분은 고사하고 방정식 풀이조차 점점 버겁다고 느끼게 된다. 다행스럽게도 <모스크바 수학퍼즐>은 고난도의 공식과 파해법을 요하기 보다 문제 풀이를 위한 사고에 중점을 두고 있으며 문제의 실마리를 발견하면 이미 반은 푼 거라 생각하면 된다.

 개인적으로 생각하는 난이도는 '무난하다' 이다.
 열 문제 정도를 풀면 1문제 정도 해답의 도움을 받아야 하고 2~3 문제는 시간을 요한다.
 40대 아저씨인데다 머리가 썩 좋진 않은 경우라 일반화는 어렵겠지만 다른 사람들도 거의 비슷하지 않을까 긍적적으로 생각하려 한다.

 출퇴근 버스에서, 업무 간 쉬는 시간에 한 두 문제씩 풀다보면 의미없던 시간이 되살아나는 기분을 느끼게 된다. 메모나 필기가 필요한 문제를 위해 가방에 빈 종이를 들고다니는 번거로움이 있지만 무료한 반복되는 일상에 내가 건강한 뇌를 갖고 살아가고 있음을 실감하는 것은 꽤나 큰 긍정적 자극이 된다. 문제를 보고, 생각하고, 정답을 도출하는 모든 과정에서 진지한 고민을 하고 정답에 이르렀을 때 느끼는 쾌감은 상상이상이었다.

 바쁘지만 반복되는 일상은 우리의 뇌를 퇴행시키는데 가끔은 퍼즐을 통해 뇌를 환기시키고 소소한 재미를 얻고 자존감을 회복하는 것도 중요하다 생각한다. 

 <모스크바 수학퍼즐>은 가벼운 마음으로 심심할 때, 시간이 길게 느껴질 때 펼쳐보고 뇌 운동을 시킬 수 있는 도구인 것 같다.

논리적 사고와 넌센스 퀴즈에서 흔히 보이는 직관적 사고를 요하는 문제를 하나 적어본다.

예제)276번 문제 - 걸어서 차로
기술자가 매일 열차를 타고 직장이 있는 도시로 통근을 한다. 아침 8시 30분에 열차에서 내리면 기다리던 차가 태워 공장으로 데려간다. 어느 날 기술자가 아침 7시에 열차에서 내려 공장으로 걸어가기 시작했다. 도중에 차가 그를 태웠고, 그는 10분 일찍 공장에 도착했다. 기술자는 언제 차에 탔을까?
 

첨언하자면 대수학 229번처럼 필수항목의 제시가 불분명해 정답에 도달하기 어려운 문제가 있기도 하니 자신이 정한 시간 내에 답은 도출하지 못한 경우 해답의 도움을 받고 논리적 오류가 없는지 살펴봐야 한다. 

반도체란 무엇인가 - 유영준

반도체란 무엇인가
유영준 지음 / Pi-TOUCH(파이터치연구원) / 2017년 8월

 반도체라는 용어는 각종 언론과 매체를 통해 자주 접하게 되지만 도체와 절연체의 중간 정도로만 이해할 뿐 '반도체'가 무엇인지에 대한 개념은 없었다.
 
 반도체(엄밀히 말해 반도체 소자)는 도체와 절연체의 중간 정도의 전기전도율을 갖는 물질이다. 10^-6승에서 10^7승 까지 매우 넓은 범위의 저항을 가진 물질이며, 흔히 알려진 실리콘Si 과 함께 게르마늄Ge 셀레늄Se 등이 반도체 원소로 알려져 있고 첨가물의 성분과 함량에 따라 반도체의 종류는 다양해지고 그에 따른 용도도 달라진다.
 반도체 관련 기사에 나오는 P형이니  N형이니 하는 말은 주기율표의 IV족 원소인 실리콘이나 게르마늄에 인위적으로 주입한 분순물이 주기율표 상의 III족인지  V족인지에 따라 전도의 주체가 정공(hole, 양전하를 띤다 )이 되거나 전자(음전하를 띤다)가 되고 이를 P(positive) 혹은 N(negative)로 부르는 것이다.

 1833년 Micheal Faraday가 반도체의 성질을 가진 결정 물질을 발견했지만 당시 과학의 한계로 명확한 증명을 이끌 순 없었다. 페러데이 이후 많은 과학자들의 노력과 자연과학의 발달에 힘입어 20세기 중반 무렵에는 벨 연구소(Bell labs)에서 transistor(transfer+resister) 개발에 성공한다. 트랜지스터는 빠른 속도로 진공관을 대체한다.
 
 트랜지스터는 이론과 기술의 발달에 힘입어 소형화되고 고효율화 됐으나 조립의 어려움이 있었다. 이런 단점을 극복하는 IC(Integrated Circuit 집적회로)의 개발은 반도체 기술의 혁신을 가져왔다. IC는 하나의 Si 기판에 많은 트랜지스터 transistor, 리지스터 resister, 콘데서 condensor 등의 소자를 만들고 이들을 AI 배선으로 서로 접속한 것으로 극적인 효율성 향상을 가져왔다. 과거의 대형 컴퓨터는 손톱만한 크기의 마이크로프로세서 microprocessor로 발전하였고 전력소모는 극도로 줄었으며 내구성은 크게 향상되었다.

 반도체 제조는 Si 원료 제조공정, Wafer fabrication, IC 조립 및 검사로 이루어진다. 각각의 과정은 다시 세분화되며 극도로 정밀하고 깨끗한 환경 하에서 작업이 진행된다. 나노미터(nm) 단위의 작업을 진행하기 때문에 초정밀 오차, 먼지 한 톨, 땀 방물의 소금 결정 하나까지도 반도체에 치명적 영향을 끼칠 수 있다. 

 Wafer fabrication 과정도 초정밀, 초미세 환경 하에서 시행되는 것인데, 이렇게 만들어진 Wafer를 적당한 크기로 자르는 과정(Wafer scribing)이 더해지고 잘려진 칩을 기판에 올리는 작업(Chip mounting) 후 칩과 기판을 연결하는 작업(Wire bonding)을 시행하고 chip과 wire를 보호하고 내구성을 향상시키기 위한 조치(Packaging/Sealing)가 추가된다. 이렇게 만들어진 반도체 package 표면에 식별 및 추적을 위한 marking을 시행하고 테스트 과정을 거쳐 불량품을 걸러 낸다.

 글로 읽으니 괴리감이 덜하긴 하지만 실제적 수치를 상상했을 때는 너무도 동 떨어진 세상에서 반도체가 탄생하는 것이라는 생각에 감탄사를 내밷게 된다.

 복잡한 과정을 겪고 탄생된 반도체가 활용되는 분야는 앞서 언급한 현대 산업 전반이라고 말할 수 있고, image sensor(디지털 카메라, 망원경, 내시경, 휴대폰 등에 사용)나 발광 diode(LED, light emitting diode, 신호등 등에 이용) 또는 반도체 레이져 등 종래의 반도체에 변형을 가해 특수한 목적으로 이용되기도 한다.

 반도체는 마이크로 단위를 넘어 나노 단위로 들어섰으며 여기서 더한 혁신이 가해진다면 원자 단위의 반도체 구성을 진행할 수 있으리란 기대가 있다. 이미 7 nm 정도까지 미세화 된 상태라면 크기를 더 줄이는 것은 불가능한 한계로 받아들여지기도 하지만 과학의 역사가, 인류의 역사가 그랬듯, 또 한번의 진보를 통해 반도체는 더욱 발전하리라 기대해 본다.

 




 세상이 점점 복잡해지고 있다. 내가 지식을 축적하는 속도보다 내가 모르는 영역이 발전하는 속도가 훨씬 빠르고 내 지식은 시간이 지나면서 망각으로 버려지는 경우도 많다. 편리한 도움을 구하기 위해 인터넷을 이용하는 경우가 많지만 나를 비롯한 다수의 사람들은 인터넷을 통한 지식이 공허하단 사실에 공감하는 경우가 많다. 그런 이유로 인터넷에서 단편적 지식을 추구하기보다 책을 통해 지식을 구하고 용어의 정의나 인물에 관한 정보 정도는 인터넷의 도움을 받고 있다.

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  반도체 연구는 전문 영역이고 전체 인구 가운데 극소수 사람들만이 역량을 펼치고 있는 분야다. 그러나 어제와 오늘이 다를 정도로 빠른 변화를 보이는 현대사회에서 핵심기술의 거의 전 부문(일상 생활에서 접하는 스마트폰, 자동차, 시계, 가전 제품 뿐 아니라 항공기, 우주선, 인공위성 등 현대 산업의 전 분야)에 사용되고 있는 반도체에 대한 호기심이 배경 지식이라도 쌓고자하는 욕심에 더해져 나를 이 책으로 이끌었다.

 

 <반도체란 무엇인가>는 반도체의 탄생 배경, 역사, 제조 공정, 구조와 역활 등에 대한 내용을 그림 및 사진을 덧붙여 설명하고 있다. 물론 내용이 쉽지 않다. 특히 제조 공정이나 구조를 살필 때는 내가 읽으면서도 낯선 용어와 전문적 지식을 요하는 설명에 머리가 멍해지기도 했지만, 책을 다 읽은 후 반도체가 어떤 것인지에 대한 아주 얕은 개념 정도는 잡게 되었다.
 

 삼성전자와 SK 하이닉스가 대한민국 반도체 산업의 선두주자인 동시에 글로벌 시장에서 상당한 영향력을 행사하는 중이다. 이들 기업이 높은 위상을 갖게 된 데에 기업가 뿐 아니라 반도체 산업을 정열을 쏟은 많은 공학자, 기술자, 생산 인력 등의 공헌이 높았다고 생각한다. 또한 이 초정밀 산업의 중심에 한국 기업이 있다는 사실에 뿌듯함을 느낀다.

 대부분의 사람들은 나처럼 생업과 연관된 지식을 따라가기조차 버거울 것이다. 그럼에도 다양한 분양에 대한 관심을 게을리하지 않고 작고 얕은 지식이나마 추스려 내 것으로 만들고자 한다면 <지대넓얕>에서 채사장이 언급한 '넓고 얕은 지적 대화'를 이끌어 갈 수 있을 것이며 국민적 지적 능력의 향상을 가져올 것이라 믿는다. 그게 다시 배려로, 존중으로, 공감으로 표현되는 높은 시민의식으로 이어질 것이라 생각한다.

 <반도체란 무엇인가>를 통해 생소한 영역인 반도체에 대해 생각해 볼 기회를 갖게 되었음에 감사한다.