힉스 보손의 검출
유럽 입자물리연구소
2011-2013
프랑스와 스위스의 국경에걸쳐 있는 직경 27킬로미터의 대형 입자가속기(LHC)는 현재까지 만들어진 가장 거대한 기계이자 과학실험실이다. 유럽 입자물리연구소(CERN)가 운영하는이 장치는 두 가지 입자 빔을 빛의 속도에 가까운 속도로 쏘아서 여러 개의 검출기와 가까운 곳에서 충돌시킬 수 있는원형 입자가속기로 구성된다.
- P217
당시만 해도 이론적으로만 알려졌던 힉스 보손이 실제로 존재하는지 확인하기 위한 연구였다. 양성자가 충돌하면 다양한 아원자 입자가 방출될 것으로 추정됐지만, 힉스 보손을 포함한 대부분이 너무 빨리 붕괴되어 사라지는 바람에 곧바로 검출할 수가 없었다. 결국 연속적으로 진행되는붕괴 과정(붕괴 채널)을 포착하고 기록하기 위해 검출 범위가최대에 달하는 ‘아틀라스(ATLAS)‘가 마련됐다. - P217
물리학자들은 표준모형을 구성하는 기본 입자들 가운데 어느 것으로도 입자마다 질량이 다른 이유를 설명할 수 없다는 사실을 알아냈다. 그리하여 입자의 질량은 다른 입자로부터 비롯된다는 결론을 내렸다. - P217
그러나 암흑물질과 암흑에너지 등 아직까지 밝혀내야 할 부분이 많이 남아 있다. 대형 강입자가속기(LHC)가 2013년과 2014년에 업그레이드되어 훨씬 더 높은 에너지로 일어나는 충돌을 연구할 수 있게 되어, 힉스 보손 외에 다른 입자가 존재하는지, 혹은 존재하지 않는지 파악할 수있는 데이터가 앞으로 계속해서 도출될 것으로 예상된다. - P216
영국의 이론 물리학자인 피터 힉스(Peter Higgs, 1929)는 1964년,
나중에 자신의 이름이 그대로 붙여진 힉스 보손의 존재를 예상한 인물이다. - P217
골드버거는 실험을 통해 펠라그라가 감염성 질환이 아니라고 증명했지만 정치적인 이유로 그의 이론에 반대하는 의견들이 수그러들지 않았다.
1937년이 되어서야 콘라드 엘버헴(Conrad Elvehjem)이 골드버거의 연구 결과를 활용하여 니아신(비타민 B3)을분리해 내고 그 물질이 펠라그라 예방에 어떤 역할을 하는지 규명했다. - P26
20세기 초 미국 남부 지역에는 펠라그라로 치사 상태에 이른 환자들이 급증했다. 1914년, 골드버거는 이 질병의 원인이 무엇인지 밝혀내라는 임무를 부여받았다. - P27
펠라그라 환자의 손과 발을 묘사한이 그림은 1814년 이탈리아의 의사 빈센초 치아루기(Vincenzo Chia-rugi)가 그린 것이다. 펠라그라는 미국 남부 지역에서 특히 맹위를 떨쳤지만, 20세기 초에 세계적으로널리 알려진 질병이었다. - P27
오물 파티
조셉 골드버거(Joseph Goldberger)
1915-1916
조셉 골드버거는 2년간 조사와 연구를 실시한 끝에교도소 수감자나 정신병원에 수용된 사람들은 펠라그라에 걸리는 반면 이들을 돌보는 간수나 간호사는 그병에 걸리지 않는다는 사실을 깨달았다. 펠라그라가 감염성이 있는 질병이 아니며 부실한 식생활로 발생하는 병임을 암시하는 특징이었다. - P27
클라이트먼은 매머드 동굴에서 실험을 진행한 후에 수면에 대한 훨씬 더 많은 연구가 필요하다고 확신했다. 1939년에 발표된 그의 대표적인 저서 ‘수면과 각성(Sleep and Wakefulness)」에는 수면에 관한 기존의 문헌 자료가 정리되어 있어이 분야의 연구에 지대한 영향을 주었다. - P32
수면과 각성주기
너대니얼 클라이트먼(Nathaniel Kleitman)
1938 - P32
켄터키 주에 있는 매머드 동굴은 자연광이 들지 않고 온도가 12도로 일정하게 유지되는 곳이라, 수면 패턴을 연구하기에 가장 알맞은 장소였다. 폭 20미터, 높이 8미터인 이 동굴은 지하 40미터 깊이에 위치했다. 그는 조수인 브루스 리처드슨(Bruce Richardson)과 함께 1938년 6월 4일부터 그곳에서 하루를 28시간 단위로 살기 시작했다. - P32
두 사람은 ‘낮‘으로 정한 시간에 두 시간 간격, ‘밤‘으로 정한 시간에는 네 시간 간격으로 체온 변화를 기록했다. 그렇게 32일을 보낸 두 사람이 마침내 동굴에서 나오자 언론의 집중적인 관심이 쏟아졌다. - P32
학문의 길에 접어든 직후부터 수면을 연구하기 시작한 클라이트먼은 은퇴할 때까지 연구를 지속하여 90대까지 수면 연구에 매진했다. 미국에서 금주법이 폐지된 뒤에는 맥주로 인한 알코올 중독에 대해서도 연구했다. - P32
동굴 실험에서는 어떠한 결론도 얻지 못했다. 리처드슨은 하루가 28시간 단위로 바뀌어도 적응을 한 것같았지만 클라이트먼은 그러지 못했다. 그럼에도 클라이트먼은 현대 수면 연구의 아버지라는 확고한 지위를 얻게 되었다. - P33
DNA가 이중 나선 구조로 되어 있다는 사실은 유전학에 대대적인 변화를 가져왔다. 또한 염기쌍에 다음 세대로 전해지는 유전 정보가 저장되는 메커니즘을 이해하는 귀중한 계기가 되었다. 이는 20세기 가장 중요한 발견 중 하나로, 사람의 유전체 분석 등 생명의 원리를 보다 넓은 범위에서 파악할 수 있는 중추적인 연구들로 이어지는 초석이 되었다. - P36
DNA는 훨씬 더 오래전인 1869년에 스위스 생물학자 프리드리히 미셔(Friedrich Miescher)에 의해 최초로 분리되었지만, 유전에 얼마나 중요한 역할을 하는지에 대해서는 알려지지 않았다.
1944년에 오즈월드 에이버리(Oswald Avery)가 DNA의 역할에 관한 이론을 제기하고 8년 뒤에 실험으로 증명하는 데 성공했다. - P37
결정 분석 전문가로 이미 명성이 높았던 프랭클린은 자신의 전문 기술을 활용하여DNA의 구조를 분석하는 데 초점을 맞추었다. DNA는 각기다른 두 가지 형태로 밝혀져 각각 A-DNA와 B-DNA로 불렸는데, 프랭클린은 보다 선명한 이미지를 얻기 위해 실험장비와 샘플을 어떻게 개선해야 하는지 연구했다. - P37
. 그 사진을 본 두 사람은, DNA가 이중 나선 구조로 되어 있다는 사실을 밝혀냈다. 이 같은 구조를 제안한 논문은1953년, 과학 학술지 네이처(Nature)에 게재되었는데 왓슨과 크릭의 발견에 큰 자극제가 된 프랭클린의 DNA 결정 연구와 엑스선 회절 이미지도 함께 실렸다. - P37
러더퍼드의 실험으로 원소의 양전하가 원소 중심에 위치한 작은 핵 속에 단단히 밀집되어 있으며, 핵 주변을 음전하가 구름처럼 듬성듬성하게 둘러싸고 있다는 사실이 입증됐다. 이전까지의 생각처럼 음전하가 균일하게 분포되어 있지 않다는 것이 그의 주장이었다. 이 새로운 원자 모형은 물질의 구성에 관한 새로운 인식을 열었고, 아원자 입자에 관한 연구가 시작되는 계기가 되었다. 입자 물리학이라는 전혀 새로운 분야도 이 실험을 계기로 탄생했다. - P148
20세기 최고의 실험 과학자로 널리 인정받는 러더퍼드(1871-1937)는 케임브리지 대학교의 캐번디시연구소(Cavendish Laboratory)에서 맨 처음 공부한 학생으로, 그곳에서 J. J. 톰슨(J. J. Thomson)을 만났다. 1908년에는 원소 붕괴와 방사성 물질의 화학적 특성에 관한 연구 업적을 인정받아 노벨 화학상을수상했다. - P149
가이거는 이온화 방사능을 측정하는 계수기를 발명했는데,
아직 초기 버전이던 이 계수기를 이용하여 러더퍼드와 함께알파 입자가 굴절되는 이상 현상을 관찰하다가 금으로 된 박편을 이용한 실험을 해봐야겠다는 아이디어를 떠올렸다. - P149
원자의 구조
어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)
1909-1913
이 실험은 러더퍼드의 조수였던 한스 가이거(Hans Geiger)와 어니스트마르스덴(Ernest Marsden)이실험의 대부분을 직접 수행한 점을 고려하여 ‘가이거-마르스덴 실험‘으로도 불린다. - P149
실험 방법을 몇 차례 다듬어서 재차 실시한 후 러더퍼드는 알파 입자를 이렇게 튕겨나가게 할 정도가 되려면 원자의 중량이 중심에 모여 있고, 그 부분은 높은 선하를 띨 수밖에 없다는 결론을 내렸다. - P149
피치 낙하 실험은 자칫 사소한 실험처럼 보일 수도 있지만, 현재까지단 아홉 방울만 떨어졌다는 사실은 이 피치 샘플의 평균 점도를어떻게 계산할 수 있는가와 같은 여러 가지 궁금증을 유발하며 오랫동안 과학계의 관심을 얻고 있다. 또한 이 실험은 과학자와 일반인 모두에게과학의 규모가 얼마나 대단한지 새삼 느끼게 한다. 즉, 실험 하나가 완료되기까지 수십 년이 소요될 수도 있고, 때로는 처음 연구를 시작한 사람들의 일생을 넘어서 여러 세대에 걸쳐 영향을 줄 수 있음을 보여준다. - P152
파넬(1881-1948)은 영국 케임브리지에 위치한 세인트존스 칼리지를 졸업하고 1904년에 호주 멜버른 대학교에 신설된 물리학과의 첫교수로 임용됐다. 1911년에는 호주 퀸즐랜드 대학교로 옮겨서 학교측의 후원을 받아 유도계수의 고정밀 측정법에 관한 논문을 발표했다. - P153
실온에서는 고체처럼 보이고 망치로 치면 여러 조각으로 부서지기도 하지만, 콜타르 피치는 액체의 특성을 보유하고 있다. 파넬은 이를 의아하게 생각하던 학생들에게 아주 단순한 실험으로도 액체임을 증명해 보여줄 수 있다고 판단했다. - P153
피치 낙하 실험
토머스 파넬(Thomas Parnell)
1927-현재
영국의 물리학자 토머스 파넬은 1927년에 역사상 최장기간 이어질 실험을 준비했다. 학생들에게 콜타르피치의 놀라운 특성을 증명해 보이려고 시작한 실험이었다. - P153
파넬은 월과 연 단위로 피치 방울이 깔때기 아래에 있는 그릇으로 떨어지는 시점을 기록했다. 파넬이 살아 있는 동안에는 단 두 방울이 떨어졌다. 총 여섯 방울이 떨어진 후 이 실험에 관한 최초의 논문이자 현재까지 나온유일한 논문이 1984년에 발표되어, 피치의 점도가 물에 비해 1조 배가량 더 높다고 추정했다. - P153
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