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작성일 : 17-04-07 23:00
입자물리학과 기독교(각주,일부 도표,그림은 생략되어있습니다)
 글쓴이 : 최고관리자
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그림 2. 힉스場을 설명하는 비유. 유명인사는 손님들이 가득 찬 연회장을 쉽게 지나가지 못한다.


영역: 과학/공학

키워드: 우주, 창조, 원자, 입자물리학, 천국중심, 기독교 종교

 

 

입자물리학과 기독교

Particle Physics and Christianity

 

한철하

아세아연합신학대학교

경기도 양평군 옥천면 경강로 1276

 

Chul-Ha HAN

Asia United Theological University

Yang Pyung, Gyung-gi-Do, Korea

 

 

(Received on July 3, 2016

Revised and accepted on July 6, 2016)

 

 

In this paper, the basic aspects of particle physics are introduced. In particular, the discovery of Higgs particle at Conseil Europeen Recherche pur la Nuclaere(CERN) will be focused. Finally, the author, as a theologian, presents the some Christian implications of recent progress in particle physics. He emphasizes the frontier research in physics supports the God’s creation in Genesis 1 and the Christianity and particle physics are well in harmony.

 

 

I. 배경과 동기

II. 원자와 입자

 1. 우주를 구성하는 12개의 페르미온

 2. 우주를 형성하는 힘을 매개하는 4개의 보존

3. 원자와 기본입자의 요약

III. 우주창조의 역사

IV. 힉스입자의 발견

V. LHC, ATLAS, CMS

1. 거대강입자가속기 LHC

 2. 검출기 ATLAS와 CMS

VI. 입자물리학과 천국중심의 기독교 종교

 

 

I. 배경과 동기

 

2014年 3月은 입자물리학(particle physics)과 천체물리학(astrophysics)에 있어서는 특기할만한 날이다. 제네바 인근에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)에서 힉스입자(힉스 Particle)를 발견했고, Harvard대학교에서 重力波(gravitational wave)를 발견했다는 것을 거의 同時에 發表하였기 때문이다. 힉스입자나 중력파는 그 機能이 꼭 같다. 오늘의 우리가 살고 있는 이 보이는 우주, 特히 地球上에 있어서 바다와 陸地와 식물과 과실과 새들과 물고기들과 동물과 사람의 肉体가 창조되었다는 사실이 두 硏究所에서 發表된 것이다. 여기서 “창조되었다”는 말은 기독교의 용어이다. 학문적 입장에서는 “조성되었다”는 말이 더 妥當할 것이다.

 

이 중요한 두 사실의 발견 소식을 接할 때에 나는 이 일이 普通 일이 아니라 느꼈다. 그래서 그 때로부터 神學者인 내가 입자물리학 工夫를 시작하였다. 그간 이 論文을 위하여 제네바를 두 차래 訪問하였고, 金東吉 博士도 $1.000을 희사하였다.

 

그 후 1年 6個月간 나는 이 일에 專念하였다. 美國에서 神學博士學位를 1960年 6月에 받아서 歸國한 후 55年間 최소한 한 달에 한편씩 660편의 論文을 썼을 것이다. 하지만 한 편의 論文을 쓰기 위하여 1年 6個月의 긴 時間을 보낸 일은 없었다.

 

이 論文으로 나의 입자물리학 공부가 끝난 것은 아니다. 아직도 Franck Close의 <反物質 (antimatter)>을 工夫할 計劃이며, 지난 8月에는 Harvard大學校 天体物理硏究所를 訪問하였고, 입자물리학과 天体物理學의 基礎인 量子力學을 無視할 수 없어서 不得已 이것도 釜山大學校 量子力學 專攻敎授 金有信 博士의 指導하에 工夫하고 있으니 앞으로 1年 6個月을 限하여 하나님께서 허락하시면 神學으로 復歸할 計劃이다. 그러나 物理學을 위한 3年의 歲月이 헛된 것으로 보지는 않는다. 입자물리학, 天体物理學, 量子力學! 이 重要한 學問들을 “天國中心의 기독교 宗敎”와 連繼하는 일이 必須的이라 본다. 이 3年을 매듭 짖는 나의 마지막 論文은 <物理學과 天國中心의 기독교 宗敎>가 될 것이다.

 

이 논문의 목적은 Geneva 유럽입자물리연구소(European Research Center for Particle-Physics, CERN, Conseil Europeen Recherche pur la Nuclaere)의 입자물리학과 천국중심의 기독교종교가 잘 조화를 이룬다는 것을 분명히 하기 위함이다.

 

 

II. 원자와 입자

 

원자는 우리가 사는 우주의 물질을 구성하는 최소단위의 元素(element)다. 물은 수소원자(H) 두 개와 산소원자(O) 한 개로 이루어진다. 공기는 대부분 질소와 산소로 이루어지고, 약간의 탄소와 아르곤이 섞여있다고 한다. 지구(地球)의 지각(地殼)은 약 90종의 원자로 구성되어 있다고 한다. 이 원자들이 얼마나 풍부한가를 알려면 우리가 한번 호흡하는데 1024개의 산소를 들여 마신다고 한다. 이 지구상에 74억 이상의 인구가 살고 있고 또 무수한 동물이 살고 있는데 풍부한 산소가 필요하다.

 

우리는 산소를 들어 마시고는 탄산가스(CO₂)를 내 뿜는다. 탄산가스는 식물들의 잎사귀들이 태양 빛을 받아서 탄수화물(즉 녹말)을 만드는데 필요하고, 반대로 식물들은 산소를 공기 속으로 내 뿜는다. 이와 같이하여 동물과 식물은 서로 삶을 돕는다. 말하자면 공생(共生 cohabitant) 관계에 있다. 하나님의 지혜는 여기에도 나타난다. 그래서 겨울 동안에 방안에서 꽃 화분을 많이 키워 공기를 맑게 하는 것이 좋다. 원자의 크기를 설명하는 비유를 클로우스(Franck Close, 1845-)는 아래와 같이 설명한다:

 

“앞서 나는 원자를 육안(肉眼)으로 보기 위해서는 점(点, dot) 하나를 100m로 연장해야 한다고 하였다. 그러나 원자핵(原子核, 원자ic nucleus)을 육안으로 보기 위해서는 그 점(点, dot) 하나를 1만km, 즉 지구의 극(極)과 극의 거리만큼 확대해야 한다. 이것은 원자가 얼마나 작은 것인가를 보여주는 동시에 원자 안에 입지가 얼마나 작은가도 잘 설명한다.”

 

입자(particle)는 원자 안에 원소(element)들을 가르치는 용어이다. 원자는 핵(nucleus)을 중심으로 전자가 돎으로서 이루어진다는 것은 널리 알려져 있는 사실이다. 그러나 핵(核, nucleus)은 더 이상 분해되지 않는 것으로 생각되어 왔다. 그러나 오늘날 원자핵은 분해되어 양성자(陽性子, proton)와 중성자(中性子, 중성자)로 이루어지고, 양성자와 중성자가 분해되면 쿼크(quark)들로 이루어진다는 것이 입자물리학의 상식으로 되었다. 쿼크를 이용하여 원자와 핵, 양성자와 중성자를 나타내면 다음과 같다.

 

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그림1. 원자, 핵, 양성자, 중성자의 표기



원자는 핵을 중심으로 전자가 돎으로서 이루어집니다. 핵은 그 안에서 양성자와 중성자가 돎으로서 이루어진다. 그리하여 양성자와 중성자가 도는 궤도의 크기가 핵의 크기가 된다. 그리고 쿼크들은 단독으로 있는 개체가 아니고, 언제나 셋씩 쌍(双)을 이루고 있습니다. 쿼크의 세 쌍(双)이 이루는 양성자나 중성자를 볼 뿐이다. 쿼크는 두 개가 한 쌍을 이루어 세 쌍으로 되어 있다: up-down, charm-strange, top-bottom. 양성자는 두 개의 up 쿼크와 한 개의 down 쿼크로 이루어져서 uud로 표시할 수 있다. 반면에 중성자는 한 개의 up 쿼크와 두 개의 down 쿼크로 이루어져서 udd로 표시할 수 있다.

 

전자와 쿼크는 모든 입자들 중에 가장 작은 입자이고 더 이상 분해되지 않는다. 그러므로 우주는 이 두 입자로 이루어져 있다고 할 수 있다. 그리고 놀라운 것은 138억 년 전에 하나님께서 우주를 창조하시는 순간, 즉 대폭발을 일으키신 직후 첫 10억분의 1초에 전자와 쿼크를 창조하셨다. 이는 우주창조가 하나님의 큰 계획에 따른 것임을 보여주는 좋은 예이다.

 

1. 우주를 구성하는 12개의 페르미온

 

우주구성의 표준모형(Standard Model)에 따르면 12개 입자, 즉 페르미온(fermion)으로 이루어진다. 그래서 이 12개의 페르미온은 질료입자(matter particle)라고 한다. 이 12개의 페르미온도 전자와 쿼크를 중심으로 이루어진다. 즉 6개의 전자 계열의 입자와 6개의 쿼크 계열의 입자로 이루어진다. 특히 전자 계열의 입자들은 世代의 족보를 이룬다. 전자의 아버지격인 muon과 할아버지격인 tauon이다. 꼭 이 3世代에 따라 순서대로 生成된다. 그리고 중성미자(neutrino)라는 입자는 가장 작은 입자로 좀처럼 검출기(detector)에 잡히지 않는다. 그런데 이 중성미자는 전자 계열의 입자들과 잘 유착한다. 그리하여 전자-중성미자, muon-중성미자, tauon-중성미자를 이룬다. 전자 계열의 페르미온은 아래와 같이 6개의 쿼크로 이루어져 있다:

 





up 쿼크
 

charm 쿼크
 

top 쿼크
 



down 쿼크
 

strange 쿼크
 

bottom 쿼크
 


 

 

표1. 전자 계열의 페르미온

 

2. 우주를 형성하는 힘을 매개하는 4개의 보존

 

하지만 이 12개의 페르미온만 가지고는 우주가 형성되지 않는다. 이 12개의 입자가 우주공간에서 제각기 뛰어 돌아가도 아무 물체들도 형성되지 않는다. 이 입자들을 결속시키는 힘이 있어야 한다.

 

우주에는 네 종류의 힘이 있다: 중력(重力, gravitational force), 전자기력(電磁氣力, electro-magnetic force), 강력 (强力 strong force), 약력 (弱力, weak force)이다. 그런데 이 힘들을 매개하는 힘입자(force particles)를 보존(boson)이라고 부른다. 그리고 그 “힘”이 작용하는 두 물체 사이에는 힘입자가 왕래하는 것으로 본다. 예컨대 달과 지구 사이에는 중력자(graviton)가, 전자와 원자핵 사이에는 광자가 왕래하는 것으로 본다. 그리하여 우주는 질료입자들인 12개 페르미온과 힘 입자들인 4개의 보존으로 이루어진다고 할 수 있다.

 

중력은 우주를 채우고 있는 힘으로서 해와 달과 지구가 서로 끌어당기면서 돌고 있는 힘이고, 또 지구에서 사과가 나무에서 떨어지는 힘이기도 하고, 스키가 언덕에서 미끄러져 내리는 힘이기도 하다. 이 중력은 네 개 힘들 가운데 가장 약한 힘으로서 원자와 기본입자를 구성하는 힘은 남은 세 개 힘들, 즉 전자기력과 강력과 약력이고 중력은 별로 힘을 쓰지 못한다.

 

전자기력은 양전하와 음전하가 있어서 물질을 구성하는 입자들 사이에 어떤 입자에는 작용을 하고 어떤 입자에는 작용치 않는다. 예컨대 전자는 음성이고 양성자는 양성이고 중성자는 중성(中性 neutral)이다. 그러므로 전자는 음성인고로 핵 안에 양성인 양성자와 서로 당김으로서 원자를 이룬다고 할 수 있다. 전자들을 원자 안에 붙들어 두는 힘이 전자기력이다. 또 원자와 원자를 끌어 당겨서 분자를 이루는 힘도 전자기력이다. 예컨대 물은 H₂O로서 수소 원자 2개와 산소 원자 한 개가 전자기력에 의해 결합되어 물이 이루어진다.

 

앞에서 언급한 중력과 전자기력은 우리가 그 현상을 눈으로 볼 수 있다. 그런데 강력과 약력은 원자 안에서 작용하는 힘으로서 우리가 눈으로 볼 수 없는 강한 힘이다. 그 중 강력은 근본적으로 쿼크에 작용한다. 강력은 문자 그대로 강한 힘인데 쿼크들을 양성자나 중성자 안에 결합되게 한다. 또 양성자와 중성자를 핵 안에 가두어 두는 것도 강력이다.

 

약력은 입자들을 서로 변하게 한다. 양성자를 중성자로 변화시키며, 또 중성자를 양성자로 변화시킨다. 그렇게 해서 원소의 변환(transmutation of elements)이 일어나게 한다. 이것은 방사성 원소에서 방출되는 베타붕괴에 관련된 힘이다. 베타 붕괴가 일어나면 동시에 전자와 중성미자가 방출된다. 중성미자는 아주 가벼운 입자로서 검출기에게 잡히지 않는다는 것은 앞서 지적한 바 있다. 중성미자는 태반이 태양에서 방출되어 날아와서 지금 이 순간에도 우리 몸을 통과하고 있다.

 

3. 원자와 기본입자의 요약

 

우주의 모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 그리고 원자는 전자가 핵을 중심으로 돎으로서 이루어진다. 핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있다. 양성자와 중성자는 쿼크가 그 속에서 3個씩 쌍을 이루어 돌고 있다.

 

우주를 이루는 원자의 내부를 분해하면 12개의 페르미온(기본입자)로 이루어져 있다. 하지만 12개의 페르미온들 만으로는 우리가 보는 우주 즉 해와 달과 별들, 식물, 동물, 사람의 육체를 형성하지 못한다. 12개의 페르미온을 결속시키는 4개의 힘을 전달하는 보존입자들이 필요하다. 그래서 우주는 12개의 페르미온과 4개의 보존으로 이루어져 있다고 할 수 있다. 그리하여 표준모형(standard model)의 기본입자들은 다음과 같이 표시할 수 있다.

 





12개의 페르미온
 

4개의 보존
 



전자-중성미자 muon-중성미자 tauon-중성미자

전자 muon tauon

up 쿼크 charm 쿼크 top 쿼크

down 쿼크 strange 쿼크 bottom 쿼크
 

photon Z 보존

gluon, W 보존
 


 

 

표2. 표준모형의 기본입자들

 

 

III. 우주창조의 역사

 

오늘날 과학이 극도로 발달되어 하나님의 우주창조의 놀라운 솜씨가 크게 밝혀졌다. 과거에는 성경의 창세기 1장의 “하늘들”(샤마임)과 “땅”(에레쯔)의 창조 외에 다른 창조는 인정하지 않았다. 그러나 하나님께서 우주창조를 대폭발로부터 시작하셨다는 것은 오늘날 부인할 수 없게 되었다. 사실 성경의 6일간의 창조, 즉 우리가 사는 이 아름다운 “하늘”(라키야, sky)과 하늘 아래 식물과 동물과 萬物의 靈長인 “사람”의 창조는 모든 것의 기초가 된다.

 

우주창조의 歷史에 들어가기에 앞서 이 우주가 얼마나 廣大한가를 보자다. 우주의 歷史는 크게 아래와 같이 3 段階로 본다.

 

대폭발-------------140억년 전

 가시적 우주------- 90억년 전

 태양계--------------60억년 전

 

이를 대폭발로부터 경과한 시간의 순서대로 살펴보면 먼저 하나님께서는 우주를 한 지극히 작은 点으로부터 창조하셨다. 그리하여 萬物을 한 点으로 통일 하셨다. 즉 無機物과 식물과 동물과 사람의 肉體가 “하나임”을 보여 주셨다. 그러므로 우리는 모두가 한 被造物이다. 따라서 서로 尊重해야 한다.

 

둘째, 대폭발의 첫 10억분의 1초에 하나님께서는 전자와 쿼크를 창조하셨다. 하나님께서 대폭발의 첫 순간에 제일 먼저 이 두 입자를 창조하셨다는 것은 참 놀라운 지혜이다. 우주만물 이 이 두 입자로 이루어지기 때문이다. 科學은 이와 같이 하나님의 깊으신 計劃을 發見케 할 뿐이다.

 

셋째, 대폭발 후 100만분지 1秒동안 하나님은 쿼크들을 세 쌍 씩 묶으셨다. 그 때부터 오늘날에 이르기까지 쿼크들은 언제나 세 쌍 씩으로 결합된다.

 

넷째, 대폭발이 일어난 지 3分 후 온도가 떨어져 “서늘”하게 되어 양성자와 중성자가 서로 서로 얽혀서 原子核의 씨앗(seeds)들을 이루었다. 아직 핵은 안 되었고 원자핵 씨앗이 完全한 原子核이 되는 것은 위에 말한 60억 년 전에 太陽系가 창조될 때이다. 즉 太陽系가 비로소 完全한 원자들의 우주이다. 이와 같이 대폭발의 첫 순간들에 하나님께서 우주를 구성하는 基本입자들을 다 만들어 내셨다. 이 사실도 우주창조에 있어서 하나님의 智慧를 나타내고 있다.

 

다섯째, 양성자들은 安定된 가장 단순한 입자들로서 또 가장 흔한 입자들로서 空間 속에 중력으로 구형(球形)으로 뭉쳐서 별들이 생겨났다. 말하자면 약 90억 년 전에 별들로 가득한, 즉 우리가 눈으로 보는 우주가 생겨난 것이다.

 

여섯째, 이 별들 내부에서 하나님은 양성자들을 결합시켜 무거운 原子들, 즉 산소, 탄소, 철 등의 原子핵의 씨앗들을 만드셨다.

 

일곱 번째, 그 별들이 爆發하여 消滅될 때 우주空間으로 저 원자핵 씨앗들을 뿌려놓는데 이것들이 지금부터 60억 년 전에 이르러 太陽系, 즉 地球가 만들어질 때 우리 피부의 탄소와 空氣 중의 산소가 된 것이다. 다시 말해 90억 년 전에 생긴 가시적 우주는 약 30억년이 더 지난, 약 60억 년 전에 더 냉각되어 원자핵 씨앗들이 우주공간을 날아다니는 전자들을 붙잡아서 원자가 되었고, 이들이 오늘의 지구를 만들었다.

 



IV. 힉스입자의 발견

 

힉스입자는 “그것이 무엇인가? (what it is)” 때문에 중요하지 아니하고 “그것이 무엇을 하는가? (what it does)” 때문에 중요하다. 힉스입자는 우주공간에 편만한 “힉스場(힉스 field)"이라고 불리우는 장 (field)에서 생겨난다. 우주 안에 만물은 우주공간을 돌아다닐 때 어디에나 편만한 힉스場 안에서 움직이는 것이다. 힉스場은 배후에 보이지 않게 잠재하여 대단히 긴요한 역할을 한다. 힉스입자가 없이는 전자나 쿼크들이 질량을 갖지 못한다. 또한 그것들이 우주공간을 빛의 속도로 움직이면서 원자나 분자를 이루는 일이 불가능하다. 그러므로 우리가 보는 생명체를 이루지도 못한다. 힉스場은 일반물체와 같이 동력(dynamics)을 가지고 능동적으로 작동을 하지 아니하며 배경에 편만해 있어서 긴요하게 작동한다. 힉스입자가 없이는 세상은 완전히 다른 곳이 되었을 것이다. 그러나 우리는 지금 그것을 발견하였다. 2012년 7월 4일에 사실로 힉스보존이 발견되었다.

 

힉스場의 주요기능은 기본입자들에게 질량을 주는 일이다. 그러므로 입자들이 힉스입자와 더 많은 상호작용(interaction)을 가지면 질량을 더 많이 얻게 된다. 반대로 힉스입자와 상호작용이 적으면 질량을 덜 얻게 된다. 그런데 힉스입자는 무거운 입자들과 더욱 신속하게 상호작용을 하고, 반대로 가벼운 입자들과는 상호작용을 적게 한다. 또한 광자나 글루온과 같은 無질량입자들과는 상호작용을 하지 않는다.

 

12개 페르미온과 4개의 보존으로 이루어지는 표준모형의 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되는가에를 설명하면서 런던대학 물리학교수 밀러(David Miller)는 힉스場과 관련된 흥미로운 비유를 제시하고 있다.

 

“유명한 여배우 안젤리나 졸리(Angelina Jolie)와 내가 빈 방을 걸어서 지나간다고 생각하자. 우리 두 사람은 자연히 같은 속도로 지나갈 것이다. 그러나 졸리와 내가 여러 가지 종류의 손님들로 가득 찬 큰 연회장을 걸어 지나간다고 하자. 그때에 나는 사람들의 주목을 끌지 않고 많은 사람을 비켜 가면 될 것이다. 그러나 안젤리나 졸리가 연회장을 지나가려면 이야기는 달라질 것이다. 여러 가지 종류의 사람이 서명을 받기위해, 같이 사진을 찍기 위해, 잠깐 한마디 하기 위해, 멈추어 달라고 할 것이다. 그리하여 질량(mass)이 달라질 것이다.”

 

     

그림 2. 힉스場을 설명하는 비유. 유명인사는 손님들이 가득 찬 연회장을 쉽게 지나가지 못한다.

 

 

이 비유의 “나”를 가벼운 up 쿼크에 대치하고 안젤리나를 질량이 무거운 top 쿼크에 대치하고, “연회장”을 힉스場으로 대치하면, 질량이 무거운 top 쿼크는 질량이 가벼운 up 쿼크보다 힉스場과 더 강한 상호작용을 하게 될 것이다. 그러므로 힉스場 안에서는 top 쿼크는 up 쿼크보다 더 많은 질량을 얻게 될 것이다.

 

밀러의 비유는 힉스場의 성격을 분명하게 한다. 힉스場은 우주에 편만하여 개개의 입자들에게 각기 다른 질량을 준다. 그리하여 우주 안에 있는 만물이 힉스場 때문에 개성을 가지게 된다. 우주창조의 역사는 하나님께서 138억 년 전에 대폭발로 시작하여 첫 100억분의 1초에는 전자와 쿼크들을 창조하시고, 100만분의 1초에는 쿼크들을 3쌍씩 집합시키는 등 모든 입자들을 창조하셨다. 이 우주창조의 역사가 약 90억 년 전에 눈에 보이는 우주창조 되었다는 것은 그때에 우주 안에 힉스場이 형성 되면서 만물이 질량을 얻기 시작하였음을 의미한다. 그러나 만물이 오늘날 우리가 사는 지구중심(geo-centric) 우주가 창조 된 것은 약 60억 년 전에 이르러서이다.

 

지금까지의 얘기를 요약하면 입자물리학의 표준모형에 의하면 모든 입자의 근본입자는 12개의 페르미온과 4개의 보존으로 되어있다는 것이다. 즉 우리가 보는 우주는 질료입자 12개와 힘입자 4개로 된다는 것이다. 그리고 이 모든 입자들에게 질량을 주는 힉스입자를 함치면 총 17개의 기본입자가 되는 셈이다.

 

 

V. LHC, ATLAS, CMS

 

이제부터 힉스입자를 발견한 CERN의 거대강입자입자가속기 LHC(Large Hadron Collider)와 두 개의 검출기 ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus)와 CMS(Compact Muon Solenoid)에 대해 살펴보자.

 

1. 거대강입자가속기 LHC

 

거대강입자가속기(Large Hadron Collider, LHC)는 크게 두 부분으로 나누어지는데 가속기와 검출기이다. LHC라는 가속기는 아인슈타인의 相對性原理를 再現하기 위하여 광속 가까운 속도로 입자를 가속시킨다. 서로 반대방향으로 가속시킨 입자들을 충돌시키면서 이 때 생성되는 힉스입자를 검출하려는 것이다.

 

LHC에서 H는 “hadron"이란 단어의 첫글자인데 이는 양성자나 중성자와 같은 “무거운” 입자들이란 말로서, 강력(strong force)으로 상호작용하는 입자들을 말한다. 실제로 LHC에서는 무거운 입자인 양성자를 가속시켜서 실험(experiment)하는 경우가 많다.

 

CERN의 LHC는 둘레 27km의 圓形굴로서 外界의 影響을 받지 않기 위해 地下 100m에 설치하였다. 그리고 두 개의 검출기 중 ATLAS는 Geneva 地下에 설치되어 있으며, 그 반대편 검출기 CMS는 프랑스 국경 안에 Cessy라는 조그만 都市에 설치되었다. 이 LHC의 목적은 ring(원둘레)을 돌고 있는 양성자의 方向을 操縱하여 適合한 方向으로 돌게 하는데 있다. 그리하여 LHC 안에 양성자를 加速化 하기도 하고 또 양성자의 方向을 操縱하기 위하여 電氣場을 1 秒에 약 4 億回식 回轉시킨다.

 

길이 27km에 이르는 이 LHC ring을 돌고 있는 양성자의 數는 全體稼動時에 두 beam(묵음)으로 약 500兆 (500trillion 양성자)個로 이루어져 있다. 그리고 그 두 beams 중 한 beam은 時計바늘 方向으로 돌고 있으며, 또 다른 beam은 時計바늘 反對 方向으로 돈다. 그러다가 검출기 ATLAS와 CMS가 있는 근처에서 입자들을 서로 충돌시켜 입자들 사이에 轉換도 일어나게 하며, 새 입자를 만들기도 한다.

 

LHC 에서의 입자들의 충돌의 回數는 每秒當 4 千萬타발 (bunch)의 입자들이 서로 通過하는데 1 通過堂 25 충돌이 일어난다. 그리하여 秒堂 10억 충돌 (a billion collisions per second)이 일어납니다. 이것은 온 世界人類가 同時에 20 電話通話 하는데 해당한다.

 

LHC에서는 磁場을 形成하기 위하여 도넛모양의 磁石을 LHC 軌道 (ring)에 몇 곳에 설치하여 입자들이 磁場 안에서 돌게 한다. 그리하여 ① 磁場을 점차적으로 强化시켜서 입자들을 加速하기도 하고, ②또한 磁場의 變하는 周波의 交替하는 電壓으로 입자들을 管 안에서 그것들의 궤도(course)를 維持시키기도 합니다.

 

LHC는 圓形이 아니고 사실은 8角形이다. LHC의 8角形 ring 원둘레에는 8 arcs (弧)들이 있으며 그 弧 (arcs)는 1½mile 기리이며 그 弧 arss에 ⅓mile의 直線部分이 연결되어 있다. LHC 터널의 이 弧 部分에 들어가 보면 큰 靑色管이 兩편으로 길게 설치되어 있는 것을 볼 것이다. 이것은 兩極 磁石( dipomagnet)이다. 이 큰 靑色管은 50ft이며 무게는 30ton이다. 이 靑色管을 arc(弧) 堂 154個를 설치하고 있다. 이와 같은 巨大한 磁石 (megnet)시설이 LHC 터널 속에 8곳에 설치되어 있다. 이 시설의 目的은 양성자들의 beam 이 빔 파이프를 通過하도록 誘導(guide) 하는데 있다. 즉 앞서 말한 대로 速度를 調停하기도 하고 方向을 조절하기도 한다. 이 靑色管의 中心에 2 개의 좁은beem管 (약 1 inch두께)이 관을 통해 있다. 이 beam pipe를 通해 the 양성자들이 돌고 있는데 하나는 時計바늘 方向으로 돌고 하나는 時計바늘 反對方向으로 돌고 있다. 그리고 위에서 말한 대로 양성자들이나 다른 입자들을 충돌 시킨다. LHC는 이름 그대로 큰(large) 입자(hardron) 충돌기(collider)이다.

 

2. 검출기 ATLAS와 CMS

 

터널의 서로 反對되는 地点에 설치되어 있는 CERN의 ATLAS와 CMS의 戰略은 LHC에서 일어나는 입자들의 충돌에서 되도록 많은 情報를 짜 내는데 있다. ATLAS는 140ft 길이에 7.700ton의 무게를, CMS는 70ft길이에 13.800ton의 무게를 갖고 있다. 이 巨大한 두 개의 검출기 앞에 사람이 서면 마치 큰 戰艦앞에 사람이 서 있는 것 같고, 그 複雜함에 놀란다.

 

ATLAS는 8개의 巨大한 도넛 모양의 자석으로 되어 있다. ATLAS란 이름의 두 번 째 철자를 나타내는 Toroidal은 이 검출기가 “torus"(圓環体)로 되어 있어서 그와 같이 지은 것이다. CMS의 첫 글짜 Compact는 ”단단히 꾸려져 있다“(tightly packed)는 뜻에서 Compact라고 부른 것이다. 이것이 설치된 Cessy라는 곳은 조그만 都市로서 Geneva와 같이 큰 짐을 운반할 수 없으며 트럭에 실릴 만한 작은 部品들로 빽빽하게 組立되어 있기 때문이다.

 

ATLAS와 CMS는 여러 가지 目的을 수행하기 위한 4겹의 원통형 장치이다. 맨 안쪽에는 내부검출기(Inner 검출기)라는 원통이, 그 다음에는 칼로리 계량기(calorimeter), 즉 전자기 칼로리 계량기(electromagnetic calorimeter)라는 원통이, 그 다음에는 强입자 칼로리 계량기(hadronic calorimeter)라는 원통이, 제일 바깥쪽에는 muon 검출기라는 원통이 있다.

 

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그림3. ATLAS와 CMS의 기본 원리

 

이 검출기들 중에 가장 안쪽에 있는 내부검출기는 많은 부품으로 이루어진 복잡한 기계로서 圓洞 파이프의 가장 내부 層에 있으며, 직경은 약 1 inch이다. 이 내부검출기의 主要임무는 追跡裝置(tracker)인데 전하가 있는 입자들이 가속기의 충돌궤도에서 생성된 입자들의 彈道를 檢索하여 그 입자들에 대한 詳細한 情報를 제공하는 일이다. 내부검출기의 1cm2에는 매초 당 수천만 개의 입자가 쏟아진다.

 

두 번째와 세 번째 층은 칼로리 계량기인데 말 그대로 입자의 에너지를 측정하는 장치이다. 칼로리 계량기는 전자기 칼로리 계량기(electromagnetic calorimeter)와 强입자계량기(hadronic calorimeter) 등 두 층으로 이루어져 있다. 전자기 칼로리 계량기는 전자나 강입자를 이 계량기 안에서 원자핵이나 전자와의 상호작용을 통해 포획한다. 强하게 상호작용을 일으키는 입자는 電磁기 칼로리 계량기에 포획되지 않고 통과해서 hadron 계량기에 포획된다. 입자들의 에너지를 계량하는 일은 그 입자가 어떤 입자인지 밝히기 위한 핵심적인 節次이다. 때로는 한 입자가 崩壞하여(decay) 새로운 입자들을 생성하기도 한다.

 

검출기의 제일 바깥쪽에 있는 원통은 전자의 아버지에 해당하는 muon 검출기이다. muon은 운동량이 크기 때문에 다른 검출기들은 바로 통과하지만 제일 바깥쪽에 있는 거대한 자석으로 이루어진 이곳에서 정확하게 계량이 된다. 이는 muon이 전자계열의 경입자(lepton)이고 쿼크가 아니기 때문에 중요하다. 쿼크는 강력과 强하게 상호작용하지만 muon은 약력과의 상호작용에 의해서 만들어지기 쉽다.

 

요약하면 ATLAS와 CMS의 내부검출기는 가속기에서 빠져 나온 모든 전하를 가진 입자들의 彈道를 정확하게 계량하고, 전자기 칼로리 계량기는 전자나 광자를 포획하여 그들의 에너지를 측정하고, 强입자 칼로리 계량기는 강력의 상호작용을 받는 입자들 즉 쿼크계열의 입자를 포획하여 에너지를 측정하고, 마지막 muon 검출기는 칼로리 계량기를 빠져나온 muon을 포획하여 仔細히 硏究한다. 이 두 개의 검출기가 예민하지만 중성미자는 포획하지 못한다. 하지만 중성미자는 포획된 다른 입자들의 에너지가 減少된 것을 통해 간접적으로 확인할 수 있다.

 

 

VI. 입자물리학과 천국중심의 기독교 종교

 

오늘날 천국중심의 기독교 종교를 견지하는 신학자는 많지 않습니다. 그러나 필자가 봉직하였던 아세아연합신학대학원(ACTS)에서는 천국중심의 기독교 종교를 철저하게 견지하여 오고 있습니다. 이 점에 대하여 여기에서 다 논할 수 없으나, 한 가지만 지적한다면 천국에서는 하나님을 눈으로 보며 하나님을 섬기게 된다는 사실이다. 이 세상에서는 “듣고 순종”하기만 하나, 거기서는 “보면서 사랑”하게 되기 때문이다. 이 감격스러운 일에 접할 때에 우리는 “사랑”으로 넘치게 되고, 참으로 “중생”함을 얻게 되기 때문이다. 물론 천국중심의 기독교 종교를 견지할 첫째 이유는 예수께서 그와 같이 가르치셨기 때문이다. 입자물리학(particle-physics)은 “천국중심”까지 가지 아니하여도 기독교 종교와의 관계를 긴밀하게 논의할 여지가 많다.

 

첫째, 입자물리학과 기독교 종교가 많이 충돌을 일으키는 분야가 “창조론”에 있어서이다. 우리는 창세기 1장의 하나님의 천지창조를 그대로 견지하여 우주生成이 the 대폭발로 시작하였다는 說은 認定치 아니 하였으나, the 대폭발의 첫 1秒의 1兆分의 1秒에 일어난 일이나, 10억分의 1秒에 전자s과 쿼크s가 창조되었고, 첫 100만분의 1秒에 쿼크s들이 3双식 뭉쳤고, 첫 3분 동안에 原子核의 씨앗(seed)이 이루어졌다는 사실이 입자물리학의 사실로 確認된 지금에, 기독교 종교에서도 그 사실들을 그대로 收容하여서, 하나님께서 우주를 창조하심이 the 대폭발로부터 하신일로 宣言해야 할 것이다. 우리는 결론적으로 科學的 사실들을 존중하는 입장으로 그 사실들을 그대로 수용치 않을 수 없습니다. 우리는 제Ⅱ절 “우주창조의 역사”를 신앙적 입장에서 다루었으며 양자사이에 갈등을 전혀 보지 못하였습니다.

 

둘째, 입자물리학의 놀라운 사실들은 오히려 우리의 신앙에 도움을 준다. 몇 가지 예를 들어보자.

 

(1) 하나님의 우주창조는 한 점으로 시작 되었다. 그 한 점에 만물이 다 들어 있다. 이 사실에서 우리는 큰 교훈을 받는다. 물과 흙과 공중(sky)과 땅, 새와 물고기와 식물과 동물, 모든 것을 우리의 몸과 같이 사랑해야 한다는 중요한 교훈을 얻는다. 여기에는 자연히 生態學에 관련되는 여러 가지 문제가 개입된다.

 

(2) 나는 대폭발의 첫 10억분의 1초에 하나님이 전자와 쿼크를 창조하셨다는 사실에 크게 놀란다. 전자와 쿼크가 많은 입자들 중에 가장 작고 더 이상 분해되지 않는다. 그러므로 만물이 이 두 입자로 구성되었다고 할 수 있다. 창조의 첫 순간에 이 두 입자를 창조하신 것은 하나님의 천지창조가 얼마나 깊은 지혜에서 발원하였는지를 보여준다.

 

(3) 또한 대폭발의 첫 세 번의 순간, 즉 10억분의 1초, 100만분의 1초, 3분 동안에 원자를 구성하는 중요 입자들, 즉 전자와 쿼크, 원자핵을 구성하는 기본 요소들을 창조 하신 일은 하나님의 천지창조가 얼마나 주도면밀한 계획 속에서 진행됐음을 잘 말해준다.

 

(4) 입자물리학이 발견한 광대한 우주에 접할 때 이 지구와 우리가 사는 실생활이 얼마나 귀한가를 새삼 깨닫게 된다. 그래서 나는 언제나 지구중심의 우주관(geo-centric world view)을 제창한다. 나는 geo-centric이란 말을 쓰는 학자는 한 사람도 못 만났다. 사실 이 해와 달과 별들, 식물과 동물과 물고기들과 새들이 살고 있는 이 지구! 이 이상 아름다운 곳이 어디 있는가? 마땅히 이 지구가 중심에 서야 한다. 그리고 하나님께서 저 “해와 달” 큰 광명을 내셔서 낮과 밤을 주관케 하신 일은 참으로 감격스러운 일이 아닐 수 없다.

 

(5) 힉스입자가 얼마나 신기한가! 힉스場 속에 들어옴으로 이 눈에 보이는 우주(visible universe)가 나타났다. 어떤 의미에서 힉스입자가 창조자라 할 수 있지 않을까? 그래서 노벨물리학상을 수상한 레더만(Leon M. Lederman)은 힉스입자를 “신의 입자(神의 입자, god-particle)”라고 불렀다. 모든 입자들 중에 힉스입자는 특이하다. 힉스입자는 만물에 질량을 주어, 개개의 개체들, 풀과 꽃과 과일과 식물과 동물들, 즉 너와 내가 이와 같이 나타났다. 그러다면 우리의 결론은 분명하다. 하나님께서 그와 같은 입자, 즉 힉스입자를 창조하셔서 놀랍고 지혜로운 우주창조(우주창조)를 하셨다는 사실이다.

 

셋째, 밀러 교수의 노벨상을 수상할만한 “비유”는 참으로 훌륭하다. 서울시립대의 박인규 교수는 여배우 안젤리나 졸리 대신 장동건씨를 대치하였다. 힉스입자를 “나와 장동건씨가 여러 가지 종류의 손님들로 가득 찬 큰 연회장을 걸어 지나가는데” 比하였다. 그 “연회장”에 나를 아는 사람이 별로 없어서 나는 사람들을 그대로 빠져 나오나 장동건씨는 유명한 배우라서 서명도 받고 이야기도 하기 위해 많은 사람들에게 둘러싸이게 될 것이다. 여기서 “연회장”은 힉스場과 같고, 나는 가벼운 입자인 up 쿼크와 같이 질량을 적게 받고 장동건씨는 무거운 입자인 top 쿼크와 같아서 힉스場에서 많은 질량을 얻게 되는 것과 같다는 比喩이다.

 

끝으로 우리가 기억해야 할 것은 창세기 1장의 6일간의 창조는 60억 년 전 태양계가 창조된 어느 날부터 6일간을 택하시어(그 하루하루가 24시간인지 2억 4천만년인지는 알 수 없으나) 창세기 1장 3절에서 28절까지 우리들을 창조하시고, 마지막으로 “보시기에 심히 좋았더라”고 말씀하신 것처럼 하나님께서 보시기에 심히 좋게 우리를 창조하셨다는 사실이다.