양자 우주 - 입자 물리학에 기반을 둔 양자 우주(Quantum Universe)의 이해

[ywk]

양자 우주 [QUANTUM UNIVERSE]

21 세기의 진화 – 입자 물리학[The Revolution in 21st -Century Particle Physics]

대강(對講)

우주(宇宙)의 본질(本質)은 무엇이며, 무엇으로 만들어졌는가?

물질(物質), 에너지, 공간(空間), 시간(時間)이란 무엇인가?

어떻게 우리가 여기에 있게 되었으며, 어디로 가는 것인가?

인류의 역사를 통하여, 과학적 이론과 증가하는 능력과 지적 교양의 체험이 우주에 관한 이러한 기본적인 질문을 강조하여 왔다. 지식의 결과로 우리 주위의 세계의 본질 안으로 들어가는 혁신적인 통찰을 이끌어 왔다. 과거 30년 동안, 물리학자들은 물질, 에너지, 공간과 시간을 지배하는 기본적인 입자와 물리적 법칙의 풍부한 이해를 달성하였다. 탐구자들은 셀 수 없는 실험적 시험에 대하여 이러한 “표준모델”을 주제로 하여 다시 그리고 또 다시 그것의 추정을 참으로 고수한다. 표준 모델을 만들기 위하여 결합한 실험과 이론적인 획기적인 발전의 계보들은 20세기의 대단한 과학적 승리로서 진심으로 축하를 받아야 한다. 이제 그것을 개발하는데 있어서, 어떤 사람은 지구가 태양계의 중심이 아니다라는 코페르닉스적인 인식과 비교한다. 깜짝 놀라게 하는 새로운 데이터는 오직 우주의 5%만 정상적으로 만들어졌으며, 표준 모델로 설명한 가시적인 물질이다. 우주의 95%는 암흑(暗黑) 물질(物質)로 구성되었으며, 기본적인 본질의 암흑 에너지는 신비이다.  

표준 모델의 정연하고 우아한 우주의 모습은 새로운 현상을 설명할 수 있는 보다 깊은 이론 안으로 결합되어야 한다. 결과는 이전에 있었던 것만큼이나 드라마틱한 입자 물리학 안에서 변혁이 될 것이다.

우주에 대한 질문에서 입자 물리학의 탐구의 세계적인 프로그램은 신비스럽고 새로운 과학 풍경의 개발을 하기 위하여 진행 중이다.  아홉(9)가지 내적 질문이 통로를 먼저 정의한다. 아인슈타인의 연합된 힘의 꿈이다.

1.     발견하지 못한 자연(본질)의 원리 곧, 새로운 대칭, 새로운 물리학 법칙이 있는가?

우주 물리학에 적용할 때 유사한 물질을 그처럼 성공적으로 설명하는 양자 아이디어는 실패했다. 질문을 해결하는 것은 새로운 대칭의 발견을 신호로 하는 새로운 힘과 새로운 입자의 출현을 요구한다. – 곧, 자연의 행동의 미-발견한 원리

2.     암흑 에너지의 신비를 어떻게 풀 수 있는가?

빈 공간에 퍼지고 우주의 팽창을 가속화 시키는 암흑 에너지는 양자(量子)적으로 설명을 해야 한다. 암흑 에너지는 힉스-장(Higgs field)과 관련되어야 하며 공간을 채우는 힘과 입자 질량을 가져야 한다.

3.     공간은 별도의 차원이 있는가?

끈-이론(string theory)은 입자 물리학의 많은 명백한 복잡성을 야기하는 일곱(7)개의 미-발견 차원 우주를 예측한다. 별도의 차원의 발견은 인류 사회에서 획기적인 사건이 될 것이다. 그것은 우주의 탄생과 진화의 이해를 변경시킬 것이다. 끈-이론은 중력의 개념을 재형성할 것이다.

4.     모든 힘은 하나가 될 것인가?

가장 기본적인 수준에서 우주 안의 모든 힘과 입자는 상관관계가 있다. 그리고 모든 힘은 아인슈타인의 꿈을 실현시키는 단순한 대통합 - 힘의 표현이 될 것이다.

입자 세계(The Particle World)

5.     어째서 그렇게도 많은 종류의 입자가 존재하는가?

어째서 세 가족의 입자가 존재하는가? 그리고 어째서 그들의 질량이 그렇게 극적으로 다른가?

기본 입자의 가족에서 패턴과 변화는 표준 모델의 쿼크(quarks)와 렙톤(leptons)과 함께 묶여진 미-발견 원리에 기초를 둔 것을 제시한다.

6.     암흑 물질이란 무엇인가? 실험실에서 어떻게 만들 수 있는가?

우주에 있는 대부분의 물질은 미지의 암측 물질이다. 아마도 무거운 입자는 빅뱅에서 만들어졌다. 이러한 입자의 대부분이 순수 에너지 안으로 소멸되었고 약간은 남았다. 이처럼 남은 입자는 너무 작아서 가속기에서 만들어지고 연구할 수 있다.

7.     중성미자(中性微子)는 무엇인가?

알려진 모든 입자 중에서 중성미자가 가장 신비스럽다. 그것들은 우주의 진화에서 필수적인 역할을 한다. 그리고 중성미자의 미세한 질량은 매우 높은 에너지에서 새로운 물리학의 신호가 될 수 있다.

우주(宇宙)의 탄생

8.     우주는 어떻게 존재하게 되었는가?

우주론에 따르면, 우주는 인플레이션적 팽창의 폭발에 의하여 따른 단수 폭발로 시작했다. 팽창 다음 우주는 냉각되었고 단계의 전환의 계통을 통하여 진행하여 별, 우주 그리고 지구에 생명을 형성하기를 허락하였다. 인플레이션의 이해는 양자물리학(量子物理學)과 양자중력(量子 重力) 안에서 돌파를 요구한다.

9.     반물질(反物質)에는 무슨 일이 일어났는가?

빅뱅은 분명히 동일 량의 물질과 반물질을 생산하였다. 우주는 현재까지 반물질이 없다는 것이 확실한 것으로 보인다. 어떻게 비대칭(불균형)이 일어났는가?

발견을 위한 기회

커다란 질문의 개발이 혁신적인 우주의 새로운 이해를 향하여 이끌고 있는 시대에 살고 있다.

기회가 우리가 결코 예상하였던 우주의 근본적인 본질에 관한 발견을 위하여 나타났다.

죤 마브거(Presidential Science Advisor, John Marburger)는 최근에 말하기를 “기술은 도달할 수 있는 안에 그러한 발견들이 놓여 있으나 새로운 기회를 실감하기 위한 넓게 분리된 원리를 가로지른 노력에 초점을 맞출 필요가 있다.” 라고 했다.

이 보고서는 그러한 도전에 대한 것이다. 그것이 현재까지 우리를 취한 이해를 위한 탐구가 있는 곳으로 그리고 어디로 갈 것인가 안내하므로 봉사한다.

우주 탐사와 지상 망원경과 함께 가속기와 지하 실험실에서 어떻게 존재하며 계획된 입자 물리학의 실험을 구별하는 다음 장은 우주의 근본적인 본질에 관하여 발견을 위한 새로운 기회에 도달하게 할 것이다.

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I.             소개

우주의 본질은 무엇이며 무엇으로 만들어졌는가?

물질, 에너지, 공간 그리고 시간이란 무엇인가?

어떻게 사람이 여기에 있게 되었으며 어디로 가는가?

우주에 관하여, 가장 기본적인 질문에 대답하기 위한 탐구는 단순한 순간에 이르렀다. 21 세기의 시작에서 물리학자들은 우리들의 주변에 근본적인 물질을 특성화 시키는 입자와 힘을 담당하는 지식을 개발하였다. 동시에 천체물리학(天體物理學)과 우주 공간의 관찰은 우주의 이러한 그림으로서는 불완전하다. 우주의 95%가 정상적인 물질이 아니라 신비스러운 어떤 물질, 이를테면, 암흑 물질과 암흑 에너지임을 밝혀냈다. 사실, 우주의 대부분이 무엇으로 만들어졌는지를 알지 못한다.

이러한 무지의 새로운 우주를 이해한다는 것은 근본적인 본질을 결정하는 입자 물리학의 발견을 필요로 한다. 강력한 도구가 도달하려는 점에서 물리학을 초래하기 위하여 존재한다. 천체물리학적 관찰로 우주의 매개체(변수)를 개발할 수 있다. 가속기의 실험으로 우주의 양자 설명을 위하여 탐구할 수 있다. 입자 가속기에서 에너지는 이제 빅뱅 이후 처음 순간 상태에 접근할 수 있다. 그리고 암흑 물질과 암흑 에너지가 무엇인가를 그리고 입자 물리학과 우주를 이해하는 변혁을 창출할 수 있다.

우주의 본질에 관하여 근본적인 질문에 대답하기 위하여 빅뱅(big bang)의 자취의 천체물리학적 관찰이 초기 우주의 입자와 힘을 재창출하는 물리적 실험과 일치하여야 한다. 개발의 두 종결은 만나야 한다. 이러한 접근의 각각에서 가장 강력하고 통찰력 있는 관찰과 실험으로부터 배우는 것을 결합하므로, 질문에 대한 이러한 도전에 대답하게 될 것이다.

다음 장(場)은 장(field)을 정의하는 연속적으로 엄중하며 심도 깊은 아홉(9)가지 핵심 질문을 다룬다.

제 2 장은 21세기 입자 물리학에 대한 질문의 의미와 함축(영향, 결과)를 해명한다. 제 3 장은 그것에 대한 설명과 대답을 하기 위한 과학적인 프로그램을 정의한다. 제 5 장에서 표(테이블)은 질문은 가장 직접적으로 대응하는 기본적인 물리학적 프로그램을 가진 미국의 시설을 요약하였다.

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II.           물질과 에너지 공간과 시간의 근본적인 본질

세상에서 현대와 미래 입자 물리학 실험이 우주를 통제하는 기본 물리법칙에 관한 질문을 잘 정의하여 강조한 능력을 우리에게 주고 있다. 이러한 질문은, 동시적으로 현저하게 친숙하고 절실한 혁명적인 것으로, 21 세기에 입자 물리학을 위한 길(방향)을 정의한다.

아인슈타인의 통합-력 (unified forces)의 꿈

아인슈타인 이래로 물리학자들은 모든 근본적인 힘과 입자를 설명하기 위한 통일된 이론을 우주에서 찾아왔다. 결과는 간결한 법칙을 정하기 위한 미시적 물리학의 복잡성을 감소 시키는 놀랄만한 성공적인 이론이다. 그러나 이것은 양자 개념과 동일하지만 우주 물리학에 적용할 때 실패하였다.

어떤 근본적인 조각(단서)이 없다. 곧, 중력, 암흑 물질 그리고 암흑 에너지는 양자적 설명이 있어야 한다. 어떤 새로운 이론적인 견해가 요구된다. 곧, 암흑 에너지의 신비를 해결할 표준 모델과 일반 상대성을 포함하는 것이다. 입자 가속기는 네(4)개의 잘 정의된 지적 추진체에 의하여 특성화된 실험에서 통일된 이론적 관점에 도달하기 위한 수단을 제공한다.   

1.    미-발견된 본질의 원리가 있는가? : 새로운 대칭, 새로운 물리 법칙

본질의 근본적인 법칙을 발견하기 위한 탐구는 물리 법칙 그리고 그것을 통제하는 입자가 본질의 대칭을 기본으로 하기 때문에 존재하며, 그것들의 일부가 빅뱅 이래로 없어졌다는 발견으로 유도된다. 그러한 잃어버린 대칭이 초-대칭성(supersymmetry)이 되어야 한다. 마찬가지로 모든 입자는 반-입자가 존재하듯이 초-대칭성은 모든 알려진 입자에 대하여 슈퍼-파트너 입자가 존재한다는 것을 예측한다. 초-대칭성의 강력한 이론적인 부분, 끈-이론(string theory)의 필연적 부분이 암흑 에너지와 암흑 물질, 중성미자(neutralino)에 대한 본질적인 후보자를 마련한다는 사실을 연결하는 것이 가능하다.

초-대칭성의 발견은 입자 물리학의 즉각적인 실험적 도전이며 슈퍼-파트너 입자의 구조와 특성(속성)의 탐색이 따른다. 입자 가속기 실험은 통일장-이론에서 초-대칭성의 역할을 밝힐 것이며 암흑 물질에 대한 중성미자(neutralino) 슈퍼-파트너인지 아닌지를 밝힐 것이다.

2.    암흑 에너지의 신비를 어떻게 해결할 수 있는가?

망원경과 공간 탐색기로 최근에 측정한 것은 신비한 힘인 암흑 에너지가 빈 공간의 진공을 채우고 있으며 우주의 팽창을 가속화 시키는 것을 보여주었다.  암흑 에너지가 무엇이며 어째서 존재하는 것인가는 알지 못한다. 다른 한편으로, 입자 이론은 미시적 차원에서 양자 입자를 가진 완벽한 진공 거품(vacuum bubble)이 암흑 에너지의 본질적인 출처(자원)라는 것을 말해주고 있다.

그러나 암흑 에너지의 고지식한(naïve) 계산은 진공에서 관찰하는 수치보다 10,120 배나 된다. 어느 알려지지 않은 물리적 과정은 진공 에너지의 대부분을 배제할 것을 요구한다. 그러나 전부가 아닌 진공 에너지는 우주의 팽창을 가속시키기 위하여 충분하다. 새로운 입자 물리학 이론은 이러한 물리적인 과정을 설명하는데 필요하다.

입자 물리학 자료는 빈 공간의 또 다른 신비한 성분에 대하여 지적한다. 곧, 힉스-장(Higgs field)인데 그것은 질량의 특성인 입자를 나타낸다. 힉스-장 없이는 전자는 빛의 속도로 날아가고 원자는 즉각적으로 붕괴한다. 암흑 에너지와 힉스-장은 어떤 관계가 있는가?

초-대칭성의 발견이 가능한 연결의 결정적인 증거를 마련하고 있다. 초-대칭성은 힉스-장에 대한 본질적인 전후 관계와 암흑 에너지의 적지만 유한한 수치에 대한 가능한 설명 두 가지를 제공한다.

3.    다른 차원의 공간이 존재하는가?

끈-이론의 혁신적인 개념은 가장 미약한 입자물리학(粒子物理學)의 양자들(quanta)로부터 우주 자체에 이르기까지 모든 것에 대한 극단적인 설명에 대한 아인슈타인의 꿈의 대담한 실현이다. 끈-이론은 초-끈(superstrings)이라 부르는 단일 물질의 다른 진동으로 모든 알려진 힘과 입자를 생산하므로 물리학을 통일한다. 끈 이론은 독특하게 나타나는 우아한 수학적 구조로서 물리학에 대하여 양자 일관성을 초래한다.

슈퍼 끈(Superstrings)은 존재하는가? 끈 자체는 너무나 조그만 하여 직접적으로 관찰할 수가 없으나 끈-이론은 수 많은 시험할 수 있는 예측을 할 수 있다. 그것은 초-대칭성(supersymmetry)을 의미하며 미-발견한 일곱(7)개의 공간의 차원(크기)을 예측한다. 그것은 입자물리학의 신비스러운 복잡성의 많음에 대하여 제기하는 차원이다. 끈-이론의 유효성의 실험은 그 밖의 차원에 대한 탐구와 그것의 특성을 탐색할 것을 요구한다. 얼마나 많이 있는가? 모양과 크기는 어떠한가? 어떻게 왜 숨겨졌는가? 그리고 특별 차원과 연계된 새로운 입자는 무엇인가?

4.    모든 힘은 하나가 될 수 있는가?

가장 기초적인 단계에서 입자와 힘은 대-통일장 같은 숨겨진 원리이거나 또는 초-끈 이론 같은 근본적인 물리학을 통하여 수렴할 수 있다. 중력을 제외하고 모든 알려진 힘을 설명하는 놀랍도록 유사한 수학적 법칙과 원리를 이미 알고 있다. 아마도 모든 힘은 단순 대통합한 힘의 다른 표현이다. 힘은 렙톤(leptons)에 대하여 쿼크(quarks)와 관계가 있으며 어떤 입자의 종류가 다른 것으로 전환하는 새로운 방법을 예측한다. 그러한 힘은 결론적으로 프로톤(양성자, protons)의 붕괴를 초래하며 정상적인 물질을 불안정하게 만든다.

입자 세계

물리학자들은 근본 입자들의 57종을 식별하였으며 완벽하고 상세한 면에서 많은 특성을 결정하였다. 그것들의 역할은 무엇인가? 그들 모두를 발견하였을 때 어떻게 알게 될 것인가? 아마도 이러한 입자들은 단순 초-끈 이론에서 다만 다른 주석들이다. 아마도 그것들은 대통합 이론에 의하여 관계가 있거나 또는 아직도 해독하지 못한 방법에서 다른 숨겨진 대칭일 것이다. 통합은 단순한 원리가 복잡한 정체성을 나타내주는 핵심을 마련할 것이다.

5.     어째서 그렇게도 많은 입자들이 존재하는가?

쿼크(quarks)와 렙톤(leptons)의 3 가족을 발견했다. 기본 입자들의 가족은 질량에서만 다르다, 그것들은 금(gold) 원자의 질량에 대하여 전자 질량의 백 만분의 일 보다 작은 범위에 있다. 마치 양자역학이 원소 주기율표의 구조를 이해하도록 한 것처럼 원소 입자들의 패턴을 설명할 새로운 이론을 바라보자. 어째서 세 가족들의 입자들이 존재하는가? 그리고 그들의 질량이 극적으로 다른가?

현재의 조사는 입자 세계에서 현존하는 패턴의 상세 그림을 개발하는 것에 초점을 맞추고 있다. 놀랄만한 진보가 이루어 졌으며 특별히 쿼크(quarks)의 특성화에서 그러하다.

그런데 어째서 렙톤(leptons)과 쿼크(quark)의 패턴(모양)이 완전하게 다른가? 가속기 실험에서 쿼크와 렙톤의 상세 연구가 이러한 이슈에 대하여 가장 선명한 통찰을 제시할 것이다.

6.    암흑 물질이란 무엇인가? 실험실에서 어떻게 만들 수 있는가?

우주에서의 대부분의 물질은 암흑이다. 암흑 물질이 없이는 은하와 별들은 형성될 수도 그리고 생명체가 존재 할 수도 없었을 것이다. 암흑 물질이 우주를 함께 유지한다. 암흑 물질은 무엇인가?

비록 암흑 물질의 존재가 1930년도에 제시 되었다 하더라도 오직 지난 10에서 15년 내에 그것의 특성을 이해하는데 부수적인 진보가 이루어 졌는데, 대부분이 그것은 무엇이 아니다라는 것을 수립했다.

우주의 구조에 대하여 암흑 물질의 영향에 대한 최근 관찰은 암흑 물질이란 실험실에서 발견하고 측정한 물질의 어떠한 형태와 같지 않다는 것을 보여 주었다. 동시에 암흑 물질이 실제로 무엇인지를 우리에게 말하고 있는 새로운 이론이 출현하였다. 초-대칭성(supersymmetry)의 이론은 입자의 새로운 가족이 통상적인 물질과 매우 약하게 상호 작용하고 있음을 예측한다. 가장 가벼운 초-대칭성 입자가 파악하기 힘든 암흑 물질의 입자일 것이다. 지하 탐지기에서 암흑물질 입자의 자취를 탐지하므로 직접적으로 암흑 물질을 연구할 필요가 있다. 거기서 암흑 물질의 속성을 측정할 수 있으며 어떻게 암흑 물질이 우주의 영상 안으로 부합 되었는지를 이해할 수 있다.

7.    중성-미자(neutrinos)가 무엇을 말해 주고 있는가?

편재하며 파악하기 어렵고 놀람으로 가득한 중성-미자(中性微子)는 우주에서 알려진 입자들 중 가장 신비스러운 것이다. 중성-미자는 다른 입자와는 매우 약하게 작용하여서 중성-미자의 조(1,000,000,000,000) 단위가 매초마다 자취를 남기지 않고 우리 몸을 통하여 지나가고 있다. 태양은 중성-미자 안에서 밝게 빛난다. 태양을 강력하게 하는 내부 융합반응에서 생산된다. 이러한 반응은 한 종류만의 중성-미자를 생산하나 그것들은 지구에 그들의 방법에 따라 두 가지 다른 종류를 신비스럽게도 형성한다. 중성 미자는 질량을 가지고 있으나 가장 무거운 중성-미자는 적어도 가장 가볍게 대전(帶電)된 입자보다 백만 배나 가볍다. 중성-미자의 아주 작은 영(0)이 아닌 질량의 존재는 중성-미자가, 아마도 통일장과 관련된 미지의 물리학에서 그 질량을 얻을 것이라는 가능성이 제기되고 있다. 중성-미자의 속성 곧 질량, 어떻게 한 종류에서 다른 종류로 변경되었으며 중성 미자가 그들 자체의 반-입자(antiparticles)가 존재하는지 아닌지에 대한 상세한 연구가 중성 미자가 통상적인 물질의 패턴과 일치하는지 아닌지 또는 새로운 현상의 발견 쪽으로 유도할 것인지 아닌지에 대하여 알려줄 것이다.

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우주의 탄생

무엇이 빅뱅(big bang)을 시동했는가? 공간, 시간, 물질과 에너지가 어떻게 오늘 날 우리가 보는 형태를 취하였는가?

우리가 우주의 역사를 풀기 위하여 과거로 돌아가는 작업을 할 수 있는가?

엄청난 에너지로 빅뱅이 폭발한 이후 우주는 오늘 날까지 지속된 냉각을 시작했다.

사건의 결과인 연결(체인)은 많은 행동과 연극적인 반전과 배우들의 출현과 퇴장하는 방법대로 우주적인 드라마이다. 초기의 장면은 상상할 수 없는 온도와 밀도에서 끝났다. 무대는 기본적인 입자 물리학의 속성에 의하여 설치되었다. 이러한 과정은 은하계, 별들 그리고 우리가 오늘 날 관찰하는 행성을 형성하는 우주적 능력을 산출하기 위하여 마지막으로 조율 되었다. 약간의 미-발견 기본 법칙이 우리들을 존재하도록 허락하는 조건/상태를 결정하였는가? 우주의 이야기를 재건하기 위하여 망원경과 공간탐지기는 초기의 우주로부터 남은 자취를 검색하고 입자 가속기는 개발 단계와 그들 사이의 전환을 특성화하는 극한의 물리학을 재창조하며 탐구한다 우주의 과거를 이해하기 시작하면서 우주의 미래를 찾기 시작하며 우주의 궁극적인 운명을 예측한다.

8.    어떻게 우주가 존재하게 되었는가?

우주 진화의 현대적 이론에 의하면 우주는 단순한 폭발로 시작하여 인플레션적인 팽창의 폭발이 뒤를 따랐다. 인플레이션을 이해하기 위하여 기초 물리학, 양자 중력, 그리고 극한적 통일장(統一場) 이론의 이해의 해결을 요구한다. 비록 인플레이션 조건/상태가 재현하기 위하여서는 에너지가 너무나도 높아서 지구 상에서 재현할 수 없다고 하더라도, 그것의 흔적(자취)를 관찰할 수 있으며, 잔존 물질 상에 각인에 의하여 무한 시간 동안 방사되었더라도 그 시대로부터 궤적을 관찰할 수 있다. 팽창 이론에 따르면, 초기 우주의 상태는 너무나도 극한적이어서 기본 입자를 새로운 물질의 국면으로 결합할 수 있었다. 우주가 팽창하고 냉각되면서 수증기가 물로 응축되는 것 같이 물질이 한 국면(상)에서 다른 상으로 변화가 일어났다.

이러한 상(相) 변이가 우주 역사로서 가장 극적인 사건이 될 수 있으며 우주의 진화를 형성하고 오늘 날 관찰할 수 있는 자취를 남겼다. 우주 상-전이는 고출력 에너지 가속기 실험에서 재 창출될 수 있다.

9.    반-물질에 무슨 일이 일어났는가?

실험적으로 모든 근본 입자는 반-입자가 존재한다는 것을 가르쳐준다. 빅뱅과 그 결과가 거의 동일한 숫자의 입자와 반(反)입자를 생성한다는 것이 분명하다. 그렇지만 우주에서 우리가 탐색할 수 있는 그대로 관례에 얽매이지 않는 한, 물질의 우주에 살고 있지만 반-물질의 우주 안에 살고 있지 않음을 관찰이 시사한다. 반-물질은 어떻게 되었는가? 입자와 반-입자 사이의 매우 작은 불균형은 우주의 진화에서 초기에 발달 되었다. 또는 그 모두가 멸실 되었고 광양자(光量子)와 중성미자(中性微子)만 남았다. 물질과 비-물질 사이에서 포착하기 어려운 비대칭을 우리가 실험실에서 실험적으로 관찰할 수 있는 약간은 이러한 불균형의 응답 임에 틀림없다. 그러나 이러한 비대칭의 현재의 지식은 불완전하며 관찰된 물질 우세(優勢)를 설명하기에 불충분하다. 물질과 비-물질 행동을 다르게 하는 다른 어떤 미-발견 현상이 있음에 틀림없다. 쿼크(quarks) 내에서 발견하거나 중성미자(neutrinos) 내에서 발견할 수도 있을 것이다. 그것의 자원은 힉스-보손(boson)의 특성(속성) 안에 초-비대칭(supersymmetry) 또는 초-차원 (extra dimensions) 안에 놓여 있을 수 있다.

목표

요구했던 아홉 가지 질문은 오늘 날 입자 물리학의 과학을 정의하는 질문들이다. 이러한 질문에 대답하는 것은 탐색에서 전-세계적인 프로그램의 목표이다. 그리고 새로운 과학적 설비/시설에 대한 현재와 미래의 실험과 계획을 추구한다. 다음 장에서 이러한 질문에 대하여 설계된 실험을 설명한다.

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III.         과학적 혁신을 위한 도구들

입자(粒子) 물리학 공동체가 물질의 기본적인 본질과, 에너지, 공간 그리고 시간을 이해하는 관점에서 혁신을 향하여 다음 단계를 취한 야심 찬 실험적 프로그램에 착수하였다.

입자 가속기(particle accelerators)에서 실험에서 얻는 통찰, 우주적인 관찰로부터, 그리고 지하 실험은 조사/탐색에 초점을 맞추고 있다. 보다 더 나아간 진보에는 우주 개발의 활동적인 프로그램을 요구한다. 제 3 장은 21세기 입자 물리학을 정의하는 질문들에 대한 실험적인 프로그램을 도시하며 다른 접근의 강도를 분명히 하며 달성하기로 한 과학적 목표를 기술하였다.

본 자료의 마지막에 미국 프로그램의 선정된 시설들을 기술한 두 개의 테이블(표)를 제시한다. 이러한 각각의 시설들의 기본적인 물리학의 목표는 본 자료의 아홉 가지 질문들과 더불어 가장 직접적으로 나열하였다.

제 3 장에서 여기서 제시한 물리학에 대한 주요한 배례를 하기 위한 잠재력을 가진 확실한 다른 시설들에 대하여 논의한다.

아인슈타인의 통일된 힘(통일장)의 꿈

초-끈 이론(일명; 초현 (超弦)이론, Superstrings)과 대-통일장(grand unification) 이론은 현재로서 궁극적 이론인 아인슈타인의 꿈을 성취하기 위한 가장 약속 있는 아이디어이다.  끈 이론을 이해하기 위하여 초대칭(supersymmetric) 입자의 예측의 실험적 테스트와 공간의 특별 차원(extra dimension)을 요구한다. 통일장을 이해하기 위하여 극한적으로 희귀한 입자 붕괴에 대한 실험적 감각이 요구된다. 거대의 이론과 미시의 이론 사이의 모순에 직면하기 위하여서는 기본 양자물리학의 보다 나은 이해가 요구된다.

1.    미-발견된 자연(본질)의 원리가 있는가? :

새로운 대칭, 새로운 물리 법칙

자연의 법칙은 자연의 대칭에서부터 유도되었다. 새로운 입자와 힘은 새로운 대칭을 탐색하는 것을 의미한다. 그러한 대칭은 초대칭이어야 한다. 그것은 모든 알려진 입자에 대하여 동일 질량의 슈퍼-파트너(super-partner) 존재를 예측한다. 실험에서 아직도 슈퍼-파트너(super-partner)의 어떤 것도 탐지하지 못했다. 만일 초-대칭이 존재한다면 슈퍼-파트너(super-partner) 입자를 무겁게 하는 미지의 물리학에 의하여 깨어질 것이 틀림없다. 슈퍼-파트너(Super-partner) 질량은 힉스의 장과 연계될 수 있다. 초-대칭은 자연적(본질적) 암흑 물질 후보, 중성미자(neutralino)를 제시한다. 실험은 지금 초-대칭을 탐색하고 있다. 곧, 직접적으로 Tevatron과 B-factories Belle와 BaBar에서 이다. Tevatron은 가장 가벼운 수퍼-파트너(super-partner)의 탐지 신호를 생산하기에 충분한 에너지를 가지고 있을 것이다. LHC는 모든 것 또는 직접적으로나 또는 다른 슈퍼-파트너(super-partners)의 붕괴를 통하여 슈퍼-파트너 입자의 대부분을 생산할 충분한 에너지를 가졌을 것이다.

선형 충돌기(linear collider)가 슈퍼-파트너의 속성을 매우 정확하게 측정할 것이다. 그리고 알려진 입자의 진짜 슈퍼-파트너임을 보일 것이다. 매우 정확하게 가장 가벼운 슈퍼-파트너(대부분은 중성미자, neutralino)의 특성(속성)을 검토할 것이다. 중성미자(Neutranino)이 암흑 물질처럼 행동할 것인가? 다른 슈퍼 파트너와 정확한 측정 장치와 묶어 있는 선형 충돌기에서 중성미자(neutrlino)의 연구로서 예측이 암흑물질 가정과 일관되어 있는지 여부를 결정하기 위하여 중성미자(neutralinos)의 우주적인 잔재 밀도에 대한 예측을 이끌어 낼 것이다.

초-대칭(supersymmetry)을 깨는 물리적인 메커니즘에 대한 이론적인 모델이 이미 Belle와 BarBar에서 데이터에 의하여 이미 제약되었다. 미래 강입자(hadron) B-factories BTeV와 LHC와 더불어 Belle 과 BaBar에서 미래 정밀 연구가 물리학자들로 하여금 B-mesons(B-중간자)의 붕괴에 대한 미묘한 변화를 통하여 멋있는 초대칭 구조를 풀도록 할 것이다.

MECO 실험이 핵(nuclei) 내에서 muons(뮤온입자)가 전자 내로 직접 전환에 대한 유례없는 감각을 마련할 것이다. 그리고 초대칭 대통일의 어떤 모델이 MECO가 관찰 할 수 있는 이러한 과정에 대한 속도를 예측한다.

2.    어떻게 암흑 에너지의 신비를 풀 수 있는가?

극적인 암흑 물질의 발견은 빈 공간이 우주의 팽창에서 증가하는 신비한 에너지로 채워졌음을 보여주었다. 아인슈타인이 맨 처음으로 제안했던 우주적 상수는 암흑 에너지를 설명할 수 있는 것으로서 그것은 이해하기 힘든 암흑 에너지의 총수(합계)이다. 그러한 암흑 에너지-장(場)의 근본적인 자원(자연의 근본)은 진공의 양자 변동이며 관측 레벨보다 10 120 배 이상 큰 암흑 에너지의 밀도를 나타낸다.

장기 도달 프로그램은 암흑 에너지의 속성을 연구하기 위한 곳이다. 윌킨슨 마이크로파 비등방성탐색기(WMAP; Wilinson Microwave Anisotropy Probe)를 배경으로 하는 우주 마이크로파의 진폭과 파동의 측정은 전세계적인 천문학적 시설에서 나온 데이터와 결합되었다. 특별히 초신성(supernova) 측정은 암흑 에너지가 우주적인 상수를 유지하고 있다는 것을 제시한다. 초신성에 대한 미래 측정, 대형 종관 탐사 망원경LSST(Large Synoptic Survey Telescope) 그리고 연합 암흑에너지 방사(JDEM; Joint Dark Energy Mission)은 암흑 에너지가 아인슈타인의 우주상수처럼 행동할 것인지 여부와 또는 우주 진화(발달)로서 시간과 더불어 변화하는 어떤 새로운 물질처럼 행동할 것인지가 명확하게 결정적으로 밝혀질 것이다. 암흑 에너지가 무엇이며 어째서 존재하는지를 결정하는 것은 미시적(현미경) 양자 물리학의 보다 나은 기본적 이해에 대한 암흑 에너지의 우주적 실체를 연계하는 것이 필요하다. 미시적인 경지(견지)에서 물리학자들은 빈 공간은 공허가 아니라는 것을 오랫동안 인지하고 있었다. 곧, 쿼크(quarks)와 렙톤(leptons)의 질량(크기)를 가진 장(field)으로서 채워졌다. 이러한 장을 힉스(Higgs)라 부르며 LHC에서의 실험이 유사한 힉스 입자(Higgs particle)를 발견할 것이다.

현재로서, 힉스(Higgs)는 기초 물리학의 전반적인 새로운 영역에 의하여 수반된 것으로 기대한다. 이러한 힉스 영역은 많은 새로운 입자들과 상호 작용을 포함할 것이다. 최초 힉스 발견은 LHC에서 발생하였다. 곧, 선형 충돌기(Linear Collider)는 힉스 물리학(Higgs Physics)의 전경을 개발하는데 필수적인 것이다. 암흑 에너지는 초대칭과 힉스 영역 두가지에 대하여 관계성을 가질 수 있다. 그리고 힉스 물리학의 양자 일관성에 대한 새로운 강조를 의미한다. 그리고 힉스 자체의 상호 작용을 포함한다. 그러한 측정은 선형 충돌기의 실험적 프로그램에 대한 추가적인 도전을 제시할 것이며 암흑 에너지의 기원을 개발할 기초를 제공할 것이다.

3.    공간에 별도의 차원이 있는가?

별도의 차원의 물리적인 결과는 크기와 형태에 달려 있으며 어떤 종류의 물질과 또는 힘이 거기에 침투 되었는지에 달려 있다. 별도의 차원에 대한 크기는 알려지지 않았으나 입자 물리학의 근본적 에너지와 연계되어 있음이 틀림없다. 곧, 우주적인 규모, 암흑 에너지의 밀도, TeV 약전(electroweak) 크기 또는 궁극적인 통일의 규모에 달려있다. 우주적인 관찰에서 모순(불일치)에서 거시적인 크기의 별도의 차원을 또는 단거리 중력의 정밀 실험에서 추론하는 것이 가능할 것이다. 십 중 팔 구는 별도의 차원은 미시적이며 이 경우 고농도 에너지 입자 가속기와 우주선(cosmic ray) 실험은 그 물리적인 결과를 탐지하기 위한 유일한 방법이다. 거대-하드론 충돌기(LHC; Large Hadron Collider)와 선형-충돌기(Linear Collider)는 별도의 차원에 관한 많은 질문을 쏟아 낼 것이다. 얼마나 많은 별도의 차원이 존재하는가? 모양과 크기는 어떠한가? 어떻게 숨어 있는가? 새로운 입자가 별도의 차원과 연계된 것은 무엇인가? 별도의 공간 안에서 움직이는 새로운 입자들의 생성을 통하여 LHC는 원자의 크기보다 100억배 보다 작은 별도의 차원을 직접 감지할 것이다. 선형-충돌기(LC)는 수량, 크기와 별도 차원의 형상을 입자 질량과 상호 작용에 대한 작은 영향을 통하여 결정할 것이다. 별도 차원의 존재에 기인하여 미시적인 블랙 홀(black holes)이 LHC에서 검출될 것이며 또는 높은 에너지에서 우주선을 검출할 기회가 있다.

궁극적으로 입자 물리학은 혹시 암흑 에너지, 암흑 물질과 우주적 팽창이 별도 차원의 물리학에 의하여 영향을 받고 있다는 것을 알려고 찾는다.

4.    모든 힘은 하나가 될 수 있는가?

높은 에너지 입자 물리학 실험은 약력과 전자기 힘의 통일을 개발하고 있다. 통일(통합)은 계속되는가? 가장 기초적인 레벨에서 입자와 힘은 비록 대 통합 같은 숨은 대칭을 통하여 또는 초-끈(superstrings) 같은 근본적 물리학을 통하여 관계를 가질 수 있다. 필연적인 단서가 극한 희귀 입자 붕괴와 마찬가지로 최고의 에너지에서 정밀 측정에서 다른 희귀 과정의 실험실적 관찰에서 나올 수 있다. 그러한 접근의 폭은 어디서 단서가 출현할 것인지를 모르기 때문에 필요하다.

대통합의 모델은 양성자(proton)가 결과적으로 붕괴하리라는 것을 예측하며 통상적인 물질이 불안정하다는 것을 표현한다. 초-가미오간데(Super Kamiokande) 탐지기[주: 일본 기후현 광산 지하 1,000미터에 설치된 물 체렌코프광 측정장치] 지하가 이미 대통합의 모델에 의하여 제안된 범위 안에서 양성자 붕괴에 대하여 감지성을 가졌다. 양성자 붕괴의 실험의 다음 세대는 지하 실험실 안에서 보다 대형 탐지기가 요구될 것이다.

통합 물리학은 중성미자에 대한 마요나라 질량(Majorana masses)을 구비할 자연적인 메커니즘을 제시한다. 어떤 경우에서 중성미자는 그들 자신의 반-입자들이 있다. 이러한 가능성은 무-중성미자(neutrinoless) 이중 베타 붕괴(double beta decay) 실험에서 양성 반응으로 증명할 수 있었다. 예를 들면 EXO 또는 마요라나(Majorana)는 지하 실험실에 있다.

대형 전자 양전자 충돌형 가속기(LEP; large electron positron collider)와 SLC(surface laminar circuit) 에서 힘의 강도의 정밀 측정은 대통합에 대한 부수적인 증거를 마련했다. 마찬가지로 선형 충돌기에서 (초) 입자 질량의 정밀 측정은 대통합의 복합 정량 실험을 허용할 것이다.

결론적으로 모든 기본 힘의 통합은 양자 중력의 이해와 연계된 외적 현상의 이해를 요구한다. 이를테면 블랙홀 증발 같은 것이다. 과정은 우주적 중성미자를 포함하여 LHC에서 별도 차원의 발견, 또는 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO로 불규칙적인 중력파 출처(자원), 또는 초-고도 에너지 우주광선에서의 예기치 못한 사건 발견에서 우연하게 나올 것이다.

입자 세계

물리학은 기초 입자가 여러가지 역할을 하고 있다는 것을 제시하여 왔다. 쿼크(quarks)와 렙톤(leptons), 물질의 근본적인 것들, 양성자로 결합하며 중성자와 원자는 지구 상에서 생명의 근원을 형성한다. 이른바 규정 입자들은 전력, 자력 그리고 중력을 포함한 힘을 일으킨다. 최근의 발견은 아직도 더 많은 기본 입자들이 우주를 채우고 있는 암흑 물질을 구성한다는 것을 지적한다.

입자 물리학에서 원소 입자들은 새로운 힘과 새로운 물질의 형성을 포함하는 새로운 현상의 전달자들이다. 양자 역학은 숨겨진 차원이 기본 입자로서 보여지기 조차 한다는 것을 지시한다. 그 특성(속성)을 측정하여 물리학자들은 숨겨진 차원의 형상과 크기를 추론한다.

5.    어째서 그렇게도 많은 종류의 입자들이 있는가?

물리학자들은 말하자면 57종의 기초 입자를 식별하였다. 특별히 표준 모델은 쿼크와 렙톤을 포함한다. 그리고 세 가족은 오직 질량만 다르나 그룹이 되었다. 어째서 입자의 패턴이 질량에서 엄청난 변화를 가지는데 세 번씩이나 반복 되는 것인지 그러나 다른 특성(속성)에서 보면 동일한 것이 열린 질문이다. 양자 물리학은 세 가족이 표준 모델에서 CP 위반을 조절하기 위한 최소한의 필요이다는 것을 보여 주었다. 그러한 CP 위반은 물질이 우주에서 반 물질에 대하여 우세하기 위하여 필요하다. 그러나 그의 영향은 관찰되었는데 이러한 우위를 설명하기에는 불충분하다. 현재의 실험 프로그램은 현존하는 패턴의 상세한 이해를 개발하는데 초점을 맞추고 있으며 세 가족의 패턴이 동일하지 않다는 신호를 찾고 있다.

Tevatron 에서 누적분포함수(CDF)와 D0는 입자 세계에서 엄청난 질량이 그것에게 특별한 역할을 한다는 것을 보기 위하여 최상의 쿼크의 속성을 측정한다. 스탠포퍼드 선형가속기 센터(SLAC; Stanford Linear Accelerator Center)와 일본 고에너지 가속기 연구 기구(KEK)에서 BaBar과 Belle 실험은 예측된 패턴의 붕괴로부터 미묘한 편의를 보기 위하여 그러한 목적의 모든 모드(mode)의 붕괴의 정확한 측정을 하기 위하여 데이터 샘플을 사용하고 있다. 그리고 질량과 렙톤과 마찬가지로 수 백만 b와 c의 쿼크를 포함한다.

제 3세대 입자인 톱(top), 보톰(bottom) 그리고 타우(tau)는 발견하기 위한 가장 큰 희망을 제시한다. 왜냐하면 그들의 큰 질량이 그들에게 미-발견된 물리학에 대한 가장 효과적으로 쌍을 이루도록 허용하고 있기 때문이다.

BaBar과 Belle는 오직 B 중간자(mesons)의 두 개의 타입(형태)만을 연구할 수 있다. 곧, 위 또는 아래 쿼크로서 기저-쿼크(bottom quark)의 묶인 상태이다. 그러나, 많은 이론들은 스트렌지 쿼크(strange quark(B))를 가진 구속 상태 안에서 분명한 효과를 제시한다. 물리학자들은 현재로 Tevatron(미국 국립 페르미 연구소에 있는 세계 최대급 고에너지 입자 가속기)에서 B 중간자(meson)의 속성을 연구하고 있다. 미래 hadron B-factories, BTeV와 거대입자가속기(LHC-b)는 보다 큰 정밀도로서 B 중간자(meson)를 탐구할 것이다. 개별적인 쿼크의 특성(속성)은 실험적으로 연구하기가 어렵다. 왜냐하면 그들은 언제나 다른 쿼크(quarks)와 결속되어 있기 때문이다. 격자 계산 설비(Lattice Computational Facilities)는 강력 상호작용의 효과(결과)의 계산에 대한 커다란 약속을 제시했다. 예를 들면, 격자 계산(lattice calculation)은 쿼크 매개변수를 추출하기 위하여 충분하리만큼의 정확성을 제공할 것이다. 이를테면 실험적인 데이터로부터 향기로운 혼합을 기술한다. CLEO-c로 실험적인 연구가 무거운 쿼크 시스템 안에서 사용하기 위하여 lattice calculations의 정밀성을 설정하고 입증할 것이다.

중성미자 질량이 표준 모델에서는 필요하지 않지만, 중성미자는 렙톤 세대의 물리학에 놀랄만한 새로운 창을 열었다. 중성미자의 질량의 제시는 표준 모델 너머로 물리학에 관한 무엇인가를 말해주고 있다. 경량 렙톤의 붕괴 속성은, 전자와 뮤온, 또한 놀라움을 간직하고 있을 지도 모른다. MECO 실험은 뮤온이 전자로의 전환을 찾아보기 위한 것임을 제시하며 그러한 과정의 영향을 미칠 고-질량 물리학에 대하여 민감하다.

6.    암흑 물질이란 무엇인가? 실험실에서 어떻게 만들 수 있는가?

우주에서 대부분의 물질은 어둡다. 암흑 물질에 대한 초기 증거는 은하계의 회전 커브에서부터 나왔다. 그것은 은하가 별들 중에 포함된 질량보다 더 큰 질량을 포함한다는 것을 보여주었다. 가장 최근에 암흑 물질에 대한 직접적인 증거가 질량이 빛을 구부리게 하는 공간 영역인 중력 렌즈의 발견과 특성화로부터 나왔다. 이러한 천문학적인 구속력은 암흑물질(WIMPs)에 대한 비-바리온(중입자, baryonic) 모델과 모다 많은 질량을 가진 물체(MACHOs)인 이를 테면 토성 크기의 행성이나 미니 블랙 홀을 포함하는 다른 가능한 아이디어 사이를 직접적으로 구별하지 않는다. 그럼에도 불구하고 1990년도의 실험은 MACHO가 은하계의 암흑 물질 내용에 대하여 쉽게 평가할 수 있는 기여를 하지 않았다는 것을 확립하였다.

우주 내에서 암흑 물질의 총합에 대한 가장 팽팽한 구속은 우주적 측정에서 나왔다. WMAP(그리고 나중에 Plank에 의하여)에 측정된 우주 마이크로웨이브 배경(CMB)에서 파동에 따른 주파수와 진폭은 총질량 밀도와 비온 밀도 두 가지에 대하여 영향을 받는다.

비온의 밀도는 또한 초기 우주의 핵-합성 모델(nucleosynthesis model)에 의하여 구속된다. 이러한 모델의 전부는 정상적인 baryonic 물질이 총 물질 밀도의 약 5% 정도의 작은 마찰에 대하여 설명하고 있음을 제시한다.

과학자들은 여러가지 다양한 방법에서 우주 내에서 암흑 물질의 분포를 측정한다.

(a)   Sloan Digital Sky Survey(SDSS)로서 은하계의 대형 분포를 연구하므로

(b)   미래적 Large Synoptic Survey Telescope(LSST)와 Joint Dark Energy Mission(JDEM)에 의하여 약력 렌즈 연구를 통하여 암흑 물질 질량 파우워 스펙트럼(power spectrum)를 속박하므로

(c)    Sunyaev-Zeldovitch효과를 사용한 적색편이(redshift)의 기능으로서, 은하계의 대량 성운-단들을 요약하므로, 남극 망원경과 아타카마 우주 망원경(Atacama Cosmology Telescope)를 사용한다.

암흑 물질이란 무엇인가? 입자 물리학의 모델은 암흑 물질이란 액시온(axions; QCD와 연계된 가상적인 신물질) 또는 윔프(암흑물질, WIMPs; weakly interacting Massive Particle, ; Hypothetical new particle with weak interactions and TeV-scale masses, natural by products of theories of supersymmetry or extra dimensions) 인지를 제시한다.

만일 암흑 물질 입자가 초기 우주에서 거의 전량이 소멸된 자취이라면 단순한 차원 해석은 TeV scale에서 입자들이 물리학에 기원하였음을 제시한다. 암흑 물질의 입자 본질은 이를 테면 CDMS; Cryogenic Dark Matter Search)로서 예민한 지하 암흑 물질 탐지기에서 생산할 수 있는 드문 사건을 발견하므로 입증할 수 있다.

그러한 실험은 은하계에서 암흑 물질의 생성을 볼 수 있다. TeV-scale 암흑 물질 입자의 소멸은 이를 테면 GLAST와 VERITAS 같은 고-에너지 감마선 망원경에서 선 복사로서 감지할 수 있거나 또는 가능하다면 ICE CUBE 같은 천문학적 중성미자 탐지기로서 탐지할 것이다. 이러한 소멸에서 생성된 반 입자는 AMS에 의하여 탐지할 것이다. 만일 암흑 물질 입자가 더 많은 양이 있다면, 초고도에너지 우주선 내에서 신호를 생성할 것이다. 그럼에도 불구하고 암흑 물질 입자의 진정한 본질을 이해하기 위하여 입자 물리학 실험은 가속기에서 생성 되어야 하며 암흑 물질 입자들의 양자 특성(속성)을 연구하여야 한다. 물리학자들은 우주의 응집된 그림 안에다 어떻게 맞출 수 있는가를 발견할 필요가 있다. 실험가들이 지하 탐지기를 통하여 WIMPs를 탐지하는 것을 상상해보자. 그것들은 무엇인가? 그것들은 가장 가벼운 초대칭 입자들인가? 별도의 차원에서 움직이는 가장 가벼운 입자들인가? 아니면 그 밖의 것들인가?

후보 암흑물질 입자들에 대한 탐구는 오늘 날 입자 가속기에서 진행되고 있다. 만일 이러한 입자들이 TeV scale에서 질량을 갖는다면 분명히 LHC에서 발견될 것이다. 그렇지만 이러한 새로운 입자들이 정말로 암흑 물질과 관계가 있다는 것을 입증하는 것은 그것들의 속성을 특성화 하기 위한 선형 충돌기를 필요로 할 것이다. 선형 충돌기는 질량, 스핀 그리고 정밀하게 극성을 측정할 수 있다. 이러한 결과는 오늘 날 암흑 물질의 우주적 다량의 계산을 허용할 것이며 우주론적 관찰에 대하여 비교할 것이다. 만일 가치에 동의하면 입자 물리학과 우주론 두 가지 모두에 대단한 승리가 될 것이며 빅뱅 이후 10-10초로 뒤의 우주의 진화를 이해하는 연장이 될 것이다.

7.    중성미자가 우리에게 말하는 것은 무엇인가?

중성미자가 질량을 가졌다는 발견은 표준 모델 너머로 물리학에 대한 창을 열었다. 표준 모델은 새로운 입자의 소개가 없이는 중성미자 질량을 수용할 수 없다. 그것은 자신이 새로운 질문을 일으킬 것이다. 사실 중성미자 질량의 크기는 통합 그 자체에 대한 새로운 입자를 요구하는 통합 이론에서 기대한 일관성이다. 중성미자에 관한 가장 억누르는 질문은 얼마나 많은 다른 종류가 존재하는가를 포함한다. LSND 실험에서 나온 결과는 정규 세 가족 보다 더 이상이 있다는 것을 제시한다. 만일 그렇다면 그것으로 현재의 이해의 주요한 개정을 요구해야 한다. 현재 페르미 연구소(Fermilab)에서 시행하고 있는 Mini-BooNe 실험은 2005년 중반까지 이러한 이슈를 정리할 것이다.

비록 오직 중성 미자에 세 가지 종류가 있다하더라도 질문이 남는다. 무엇이 중성미자를 생성하며 무엇이 그들의 수치(대가)인가? 중성미자는 자신들의 반-입자가 있는가? 중성미자의 다른 종류의 혼합은 어떻게 하는가? 이러한 질문에 대한 대답은 중성미자의 질량과 혼합의 정밀 측정을 요구한다.

물리학자들은 SNO, KamLAND, SuperKamiokande 에서 중성미자 혼합을 연구하고 있다.

커다란 진보가 2005년에 발생했는데 그것은 페르미 연구소에서 NuMI/MINOS 프로그램이 통제된 가속기 실험에서 nu-mu/nu-tau 중성미자 혼합을 조사할 때 시작했다. 2006년에 유럽원자핵공동연구소(CERN) 와 Gran Sasso에 이르는 long-baseline에서 중성미자 혼합 프로그램이 시작했다. JPARC에서 중성미자 빔이 일본에서 개발되었다. 보다 장기 미래에서, 이러한 실험과 upgrade가, 횡측 광선 사용이 가능하다면, 또는 헌납된 반응기 중성미자 실험이 만일 중성미자 영역에서 CP 위배의 측정이 실현가능성이 있다는 것을 알려줄 수 있을 것이다. 그렇게 되면 탐색자들은 중성미자 수퍼빔(super-beam) 또는 그것을 위해 탐색할 중성미자 factory를 사용할 것이다.

그러한 실험에서 탐지기는 또한 양성자 붕괴에 대한 탐구를 할 수 있을 것이다. 만일 시설에서 깊은 지하에 위치한다면 이를 테면 국가 지하 과학 공학 실험실(National Underground Science and Engineering Laboratory) 같은 곳을 말한다. 가속기와 반응기 진동 실험은 질량 차이를 측정한다. 질량 자체는 다른 방법으로 측정해야 한다. 만일 중성미자가 자체 반-입자를 가진다면 EXO와 마요라나(Majorana)처럼 무-중성미자 이중 베타파 붕괴 실험은 ~0.01eV까지 전자 중성미자 질량을 측정하기 위하여 사용될 수 있다.

무-중성미자 이중 베타파 붕괴의 관찰은 먼 결과이다. 그리고 물질과 반-물질이 초기 우주에서 각각 에 대한 변화를 가졌다는 가능성을 제기한다.

우주의 탄생

우주의 역사와 미래를 이해하는 것이 물질, 에너지, 공간과 시간의 근본적인 본질의 질문으로 깊이 엉키어 있다. 오늘 날 가장 큰 것과 가장 적은 분야(영역) 사이의 강한 연결은 분명하게 식별된다.

8. 어째서 우주가 존재하게 되었는가?

우주 진화의 현대적 이론에 따르면 우주는 모두가 아는 물리학의 법칙을 깨트리는 한 점인 초기 단일성으로 시작했다. 이 단일성은 마치 연필이 그 끝 지점에서 정교하게 균형을 이룬 것이 140억년 동안 수직을 유지하는 것처럼 미묘하게 균형을 이룬 우주를 생성했다. 어떻게 우주가 그러한 상태에 도달했는가? 어떻게 그것이 그처럼 오랫동안 있을 수 있는가? 어째서 그것이 더 많이 분리 되어 망가지거나 자체로서 붕괴되지 않았는가?

지난 20년 동안 우주 팽창의 이론은 빅뱅의 시작의 강제 설명을 제시해 왔다. 이러한 이론에 따르면, 가속된 팽창의 초기 단계는 오늘 우리가 보는 균형 잡힌 우주에 대한 원인이 되었다. 우주 팽창은 그 꼭지점을 균형 잡히게 하는 손이다. 부산물로서 별, 은하, 은하계 성단 그리고 우주에서의 다른 구조들을 진화시키는 씨를 생성했다.

우주 팽창은 본 리포트에서 근본적인 질문에 관계된 도전을 제시한다. 하나의 가능성은 우주 팽창이 오늘날 관찰되는 암흑 에너지에 대하여 동족인 암흑 에너지의 형성에 기원한다는 것이다. 만일 그렇다면, 무슨 종류의 물질이 생성되었는가? 물질의 이러한 형태가 통합의 역할을 하는 것인가? 별도의 차원에 어떻게 관계하는가? 더 이상의 근본적인 것은 공간과 시간이 빅뱅 시점에서 그들 본질을 변화된 가능성이다. 끈-이론이 초기의 단일성을 진정시키는가? 어느 모델이 진정으로 선택할 본질인가

현재로서 우주 마이크로파 배경에서 파동의 측정이 특별히 WMAP에서 팽창에 최상 증거를 제공한다. 이를 테면 우주의 만곡, 우주 구조의 본질인 우주 매개변수에 대한 제한은 팽창 이론의 예측과 폭넓게 일치한다. 결국은 CMB의 극성화의 측정은 팽창 시기 중 생성된 중력파의 신호의 탐지를 허용할 것이다. 그것은 인플레이션(팽창)을 생성한 스칼라 장(scalar field)의 본질에 관한 정보를 제시한다. 빅뱅 이후, 우주는 팽창했다가 오늘의 상태로 이르게 끔 냉각되었다. 따라서, 우주는 물이 얼어서 어름으로 변화 듯이 여러가지 입자들이 얼어서 국면 전화의 시대를 통하여 지나왔다.

예를 들면, 상-변이는 우주 팽창이 일어나도록 하는 것이다. 상-변이는 우주적 결점(결여)를 생성하기도 한다. 이를테면 끈과 섬유 피륙과 다른 물질의 매력적인 형태로서 그것은 극-초에너지(ultra-high-energy) 우주선(cosmic rays), 암흑 물질과 아마도 암흑 에너지 조차 설명할 수 있다.

LHC는 전자석과 약한 자계의 상호 작용설(주: electroweak) 상-변이를 설명할 것이다. 그것은 알려진 입자의 대부분은 질량을 가진다. 이러한 상-변이의 보다 좋은 이해는 과학자들이 빅뱅 그 자체에 대하여 보다 더 가깝게 다가 가도록 밀어 부칠 것이다. 정말로 electroweak 상-변이는 오늘 날 우주에서 우리가 보는 물질-반물질 대칭의 궁극적인 자원이다. 새로운 입자의 발견과 새로운 상호작용은 이러한 이야기를 설명할 것이며 혹시 그것이 옳다는 것을 결정할 것이다. 더 나아가 우주 진화의 설명은 새로운 대칭 또는 새로운 차원의 어떤 발견을 포함하여야 한다.

현재로서, 가장 강력하게 연구한 우주 상-변이는 핵력의 이론인 양자 크로모역학(색역학, QCD)과 연계되어 있다. 양자색역학(QCD; quantum Chromodynamics) 상(相) 변이 중, 현재 우주에서 중입자(baryonic) 물질은 쿼크와 구루온(gluons)의 플라스마 상태로부터 응축되었다. BNL에 있는 상대론적 중이온 충돌기(RHIC) 시설은 현재로서 quark-gluon plasma를 연구하기 위하여 무거운 이온의 충돌을 만들어 내고 있다. 곧, 실험실 계획을 업-그레드하고 이러한 연구를 증진시킬 것이다. 격자 계산 시설(Lattice Computation Facilities(LCF)은대형강입자 가속기(RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider) 데이터와 그리고 초기 우주의 진화에 이러한 시대를 중 상태의 이해를 더 나아가게 하는 계산을 가능하게 할 것이다.

세상에서 모든 원소의 합성은 핵 반응을 포함한다. 별 같은 물질과 지각변동에서 별들의 폭발에서 주어진 온도와 입자의 밀도, 이러한 반응은 가끔 불안정한 핵에서 발생한다. 희귀 동이원소 가속기(RIA)는 어떻게 어디서 우주 본래에서 원소를 합성 하는가의 이해를 도울 사건들을 이끄는 원자핵 반응의 지구상의 연구에 대한 도구를 제공할 것이다.

9. 반-물질은 어디로 갔는가?

우주의 진화에서 근본적인 질문은 반-물질에 무슨 일이 있었는가? 이다. 물질과 반-물질이 우주의 탄생에서 분명하게도 동시적으로 생성되었다. 초기 우주의 뜨거운 수프가 식었기에, 동일 수량의 물질과 반물질이 결합했고 소멸 되었어야 한다. 대신에 물질의 초과 분량이 우주를 구성하는 은하계와 별들을 형성하기 위하여 잔존했었다. 우주에서 우선적으로 반물질을 제거하기 위하여 CP 대칭이 위배 된 것이 틀림없다. 그리고 물질로부터 약간 다르게 행동하는 반물질이 되는 근거를 낳았다. 실험자들은 1964년에 중성 케이 중간자(K-Meson) 에서 2001년에 B 중간자(B meson)에서 CP위반을 발견했다.

표준 모델은 쿼크에서 CP 위반의 현상학을 포용할 수 있다. 왜냐하면 적어도 쿼크의 3 세대가 있기 때문이다. 그리고 약력 상호 작용을 통하여 작용할 때 쿼크 특질 사이에 혼합이 있기 때문이다.  BaBar와 Belle에서 B 중간자(B mesons) 안에서 측정된 CP 위반(cp의 대칭성이 깨짐)은 20년 넘게 쿼크 특질 혼합에 대한 가치 있는 연구를 따라서 나온 것으로 이러한 현상학으로서 모두 일관성이 있다. 그럼에도 CP위반의 현대 지식은 우주의 최초의 물질-반물질 비대칭에 대하여 설명하기 위하여 많은 크기의 순서에 의하여 불완전하며 불충분하다. 현재와 계획된 가속기 실험은 물질과 반물질이 다르게 행동하는 CP 위반의 다른 자원을 발견하는 것을 겨냥하고 있다. 그것이 쿼크나 중성미자 안에서 나타날지도 모른다. 출처(근원)가 초-대칭이나 별도 차원 안에서 힉스 보손(Higgs boson)의 특성 안에 있을지도 모른다.

쿼크의 특질을 변경시킬 반응에서 CP 위반은 스트랜지 쿼크(strange quarks; K meson 붕괴)와 기저 쿼크(bottom quarks; B meson 붕괴)와 더불어 측정 된다. 현재 진행하고 있거나 계획된 실험은 BNL(K 붕괴) 에서 K0PI0를 포함한다. 곧, SLAC에서 BaBar, KEK(B d 붕괴)에서 Belle, Fermilab에서 BTeV 그리고 CERN(B d와 B s 붕괴)에서 LHC-b를 검토한다.

쿼크에서 CP 위반의 역할을 정밀하게 규명하는 일은 최초 반물질의 운명의 퍼즐(수수께기)를 푸는 결정적인 단계이다. 실험은 그 자체로서 표준모델에서 특질 혼합으로 쿼크 에서 CP위반이 아마도 우주에서 관찰된 물질-반물질 비대칭의 유일한 출처가 아니라는 것을 보여주었다. 현재와 미래 B 물리학 실험은 표준모델을 넘어 CP위반의 출처에 민감할 것이다.

중성미자가 질량을 가진다는 발견은 렙톤(lepton) 반응에서 CP위반에 대한 탐구를 개방했다. 중성미자 질량은 원칙적으로 물질을 반물질로 그리고 반대로 할 수 있으며 그들 사이의 균형을 변경할 수 있다. 반물질 질문에서 중성미자의 역할을 발견하기 위하여 실험이 요구된다. 폐르미연구소(Fermilab)에서 중성자 진동 탐지 기구(MINOS; Main injector neutrino oscillation search)실험과 반응기에 기반을 둔 중성미자 진동 실험은 중성미자 진동의 매개변수를 측정할 것이다. 만일 진동 매개변수가 유용하다면 대형 지하 시험을 하는 중성미자 슈퍼빔(superbeam) 설비가 중성미자에서 CP위반을 탐지할 것이다. 그러한 대형 탐지기는, 만일 충분히 깊은 지하에 있다면, 예를 들면 잠재적인 깊은 지하 과학과 공학 연구소(Deep Underground Science and Engineering Laboratory) 같은 차세대 양성자 붕괴 실험으로 또한 사용될 것이다.

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 IV.         결론

우주의 본질은 무엇이며, 무엇으로 만들어졌는가? 물질, 에너지, 공간, 시간이란 무엇인가? 어떻게 우리가 여기에 있게 되었으며 어디로 가는가?

입자 물리학은 큰 변혁의 중앙에 있다. 근대의 데이터와 아이디어는 물질, 에너지, 공간과 시간에 관하여 오래된 신뢰를 유지하는데 도전을 받고 있다. 관측자(관찰자)들은 우리들의 가장 진보된 실험에서 우리가 보아왔고 만져왔던 어떤 것과도 달리 우주의 95 %가 암흑 에너지와 암흑 물질로 구성되었음을 확인했다. 그러나 공간과 시간의 친숙한 4차원 넘어 별도의 차원을 공리로 간주하는 가치에서 이론가들은 양자물리학과 중력을 조화시키는 방법을 발견했다.

현대적 변혁의 크기가 분명해 지므로 입자물리학의 과학은 분명한 전진 노선을 가진다. 새로운 데이터와 아이디어는 사고의 오랜 방식을 도전해왔을 뿐만 아니라 진보를 위하여 요구된 단계에 또한 역점을 두고 있다.  많은 진보는 우리들의 현재의 프로그램의 달성 안에 있다. 기타 것들은 손에 닿을 정도로 가까이 있다. 우리들은 위대한 질문이 이해의 전반적 새로운 차원(레벨)을 낳는 시간에 살아가는 특별한 행운을 가진다. 우리들은 순간을 파악해야 하고 도전을 껴안아야 한다.

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V. 요약 테이블

다음 두 개의 테이블은 기본 물리학 목표가 직접적으로 보고서의 9 가지 질문과 평행하는 미국 프로그램의 선정된 시설들을 요약하였다. 기타 중요 시설은 본문에 포함되었다.

범례 (LEGEND)

질문

1.     자연의 미-발견된 원리가 있는가? : 새로운 대칭, 새로운 물리 법칙?

2.     암흑 물질의 신비를 풀 수 있는가?

3.     공간에 별도의 차원이 있는가?

4.     모든 힘은 하나가 되는가?

5.     어째서 그처럼 많은 종류의 입자가 존재하는가?

6.     암흑 물질이란 무엇인가? 실험실에서는 어떻게 그것을 만들 수 있는가?

7.     중성미자가 우리에게 말하고자 하는 것은 무엇인가?

8.     어떻게 우주가 존재하게 되었는가?

9.     반물질은 어디로 갔는가?

기본 미국 물리 프로그램의 주요 시설(Primary US Physics Program of Major Facilities)

이 테이블은 기본 물리학의 목표가 보고서의 9 가지 질문과 가장 직접적으로 정열된 미국 프로그램의 주요 시설의 물리학적 목표를 요약한다.

우주의 통합 입자 세계 탄생 Unification Particle World Birth of the Universe

질문 :  1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tevatron X X

LHC X X X X

Linear Collider X X X X X

NuMI/MINOS X

??Superbeams X X

BaBar X X X

BTeV X X X

JDEM X X

RHIC X

Proton Decay X

선정된 소형 시설의 기본 물리학 프로그램(Primary US Physics Program of Selected Smaller Facilities)

이 테이블은 기본 물리학 목표가 보고서의 9 가지 질문과 가장 직접적으로 병행하는 미국 프로그램의 선정된 소형 시설을 요약한다.

통합 입자 세계 우주의 탄생(Unification Particle World Birth of the Universe)

질문 : 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Mini-BooNE X

MECO X X

Reactor ??Experiments X

CLEO-c X

K0PI0 X

Neutrinoless Double Beta Decay X X

SDSS X

LSST X X

Underground Dark Matter Detectors X

WMAP X X X

CMB Polarization X

Lattice Computational Facilities X X

Precision Gravity X

Committee Members

Andreas Albrecht

University of California at Davis

Samuel Aronson

Brookhaven National Laboratory

Keith Baker

Hampton University

Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Jonathan Bagger

Johns Hopkins University

Neil Calder

Stanford Linear Accelerator Center

Persis Drell, Chair

Stanford Linear Accelerator Center

Eval‎yn Gates

University of Chicago

Fred Gilman

Carnegie Mellon University

Judith Jackson

Fermilab

Steven Kahn

Stanford Linear Accelerator Center

Edward Kolb

Fermilab

Joseph Lykken

Fermilab

Hitoshi Murayama

Institute for Advanced Study, Princeton

University of California, Berkeley

Hamish Robertson

University of Washington

James Siegrist

Lawrence Berkeley National Laboratory

University of California, Berkeley

Simon Swordy

University of Chicago

John Womersley

Fermilab