입자물리학을 처음 접하며 우리의 기원인 입자를 추적하는 시간이라서 그런지 강의가 시작될때 가벼운 설렘이 있었습니다. 입자의 종류 Table표를 공부하면서 우주에서 물질의 세계를 이루는 기초 입자들의 종류와 특성을 알아가며 묘한 흥분이 일어났습니다.

에너지와 운동량보존 법칙을 통하여 입자의 질량을 간단한 수식으로 계산하여 순간적으로 존재하는 입자를 밝히는 수준까지 과학을 발전시킨 인간에게 경이로움과 감동을 느꼈고, 이를 이끌어낸 과학자들에게 존경과 감사의 마음이 저절로 우러났습니다.

불확정성 원리를 밝히는 수식을 통해 핵속입자의 에너지와 운동량을 밝히며 상상조차 하기 어려운 찰나적인 순간에 핵속에 존재하는 입자들의 존재시간을 계산하여 입자가 원자의 핵을 탈출하지 못하고 사라지는 것을 측정하는 과학과 물리학의 위대함에 경악을 금치 못했습니다.

이어서 우주에 존재하는 모든 것을 하나의 에너지 단위인 eV로 환산하여 그 본질적인 모습을 정확히 구별하여 핵심을 간파하도록 하며 과학적인 영감을 주는 테이블표를 공부하였습니다.
앞으로 어떤 물질과 현상의 본질을 간파할 때 습관처럼 만물의 척도로 사용해야 할 소중한 테이블 표이니 몸에 익혀 달고 살아야 한다는 생각이 들었습니다.
어쩌면 천체물리학, 고체물리학, 입자물리학, 화학, 생명과학, 뇌과학, 분자생물학 등 모든 분야의 과학적인 현상의 핵심을 간파하는 단 하나의 척도이리라는 생각이 들었습니다.

Tevatron이라는 입자가속기의 구조와 작동원리를 공부하니 입자들의 세계를 좀더 리얼하게 알 수 있었습니다. 입자가속기 작동에 리얼우주세계에는 존재하지 않는 반양성자를 인간이 이론과 장비를 통해서 만들어내고 작용시키는 과정의 설명을 들으면서 "인간 너 참 대단한 존재구나!"라는 말이 절로 나왔습니다.
양성자와 반양성자의 충돌실험을 통해 입자의 생성과 소멸의 과정을 관측하는 입자(양성자)가속기를 자세히 공부하면 우주론과 입자물리학을 추론과 상상으로 공부하는 것보다 훨씬 구체적으로 초기 빅뱅의 우주상황을 눈앞에서 보는 현장의 느낌으로 공부할 수 있다는 생각이 들었습니다.

4가지 종류의 게이지 입자들 중 세가지가 빅뱅초기우주의 온도(에너지-100GeV)조건에서 자발적인 대칭붕괴 과정중 힉스매커니즘을 통해 질량을 획득하여 원자핵의 구성성분이 되는 원리와 빛이 질량이 없이 우주에서 무한한 속도를 가지고 영원히 가며 특수상대성이론의 기반이 되는 과정을 공부하였습니다.
반면 100GeV이상의 에너지에서는 네가지 게이지 입자들이 통합되어 대칭성을 회복하며 질량을 갖지 않는 모습에서 마술과 같은 우주의 신비로움을 느꼈습니다.
결국 우주에서는 모든 힘과 물질이 온도에 따라 위상을 달리 점하고 있음을 알 수 있었습니다.

E=mc2 라는 공식을 유도하는 과정과 열역학 제 1법칙인 dE+Pdv = Tds라는 수식을 통해 유도된 "온도(T)는 1.5*10의 10승 1오버 루트 t "라는 수식과 이를 초기우주의 시간축과 온도축으로 표현한 그래프에서 우주의 137억년 진화의 모든 현상을 설명하는 장면은 한편의 영화를 보는 흥미진진함을 주었습니다.

에너지와 부피와 엔트로피의 상관관계(열역학 제1법칙)를 통해 우주에서 변하는 밀도와 반지름을 변수로 하여 그 변화율(미분과정)을 구하고 최종적으로 온도와 시간과의 관계식을 유도하는 과정(최종적으로는 에너지상태와 입자 decoupling의 관계를 밝히는데 목적이 있음)을 지켜보면서 우주는 온도를 결정짓는 밀도가 운명이다라는 박문호 박사님의 말씀이 마치 저의 운명인 듯 가슴속에 박혔습니다.

빅뱅의 시작점(t=0)에서 10의 -43초 이전(10의 32승 k의 온도)의 우주에는 랜덤하게 생성, 소멸하는 베이비 블랙홀만 존재하며 시공이 블랙홀을 따라 갈갈이 찢어져 랜덤하게 있어서 인과율이 적용되지 않는다는 사실이 신비롭게 여겨졌으며, 그 찰나적인 시간속에 전개되는 상황을 상상하기가 어려웠습니다.

또한 10의 -43초에서 중력이 decoupling되면서 블랙홀이 생성 소멸이 중단되며 안정되었고, 10의 -35초(10의 27승 k 온도)에는 강력이 분리되었으며, 이로부터 10의 -24초사이에 쿼크, 랩톤의 입자들이 폭주하며 압력이 발생하였고 이로인하여 인플레이션 우주가 시작되었으며, 이 결과가 137억년이 지난 오늘날 우주팽창에 까지 영향을 주고 있다고 하니 우주의 에너지 작용에 경이로움을 느꼈습니다.

10의 -12초(10의 15승 k온도)에 약한 상호작용의 힘과 전자기력이 decoupling되었으며, 10의 -6초(1GeV)에 Quark가 confinement되어서 이를 구성성분으로 하는 양성자와 중성자가 생성되었고 이 온도를 기점으로 베타붕괴가 되며 양성자와 중성자가 서로의 모습을 바꾸는 과정에서 밀도(온도)가 운명이라는 말을 다시 한번 되새겼습니다. 

빅뱅후 1초후에는 뉴트리노가 decoupling되었고, 3초후에는 알파파티클이 생성되었습니다.
다른 원소들이 항성에서 핵융합하는 과정에서 생성되는 것과 달리 알파파티클은 빅뱅후에 만들어졌다는 사실을 알았습니다.

빅뱅후 38만년에 드디어 포톤(감마레이)이 우주에 쏟아져 나오고  WMAP가 38만년 당시의 배경복사를 측정하는데 성공하여 오늘 배운 수식을 통해 밝힌 사실과 실제로 계측한 사실과 정밀하게 일치함을 확인한 이후로 우주론은 더이상 이론물리학과 이론 우주론이 아닌 정밀과학의 영역으로 들어섰다는 대목에서 과학과 수학을 발전시켜온 과학자들에게 다시 한번 마음속으로 감사와 존경을 표했습니다. 

빅뱅시 우주에 정물질과 반물질이 정비례가 되지 않고 정물질이 10억분의 1로 비균등하여 오늘날 그 10억분의 1의 정물질이 물질을 만들어 오늘날 생명과 인간이 생기게 된 계기가 되었다는 이야기에서 우주에서 인간과 생명이 얼마나 존귀한 존재인가를 새삼  느끼는 계기가 되었습니다.

첫시간 오늘 배운 내용이 우주전체를 관통하는 기본이 되는 중요한 내용이어서 두고두고 반복학습하여야 하고, 수식유도과정을 통해 빅뱅초기 당시 상황을 이론적으로 정밀하게 이해하고 이론입자물리학 과정을 정밀하게 이해하는 것이 앞으로 137억년 강의를 이해하는데 중요한 기초와 발판이 된다는 점을 절감하는 중요한 시간이었습니다.

입자물리학과 가속기에 대하여 시간을 가지고 더욱 깊이 공부하고 싶어집니다.
입자물리학을 깊이 공부하면  제가 항상 혼자만의 질문으로 가졌던 시공에 관한 문제가 풀릴 단서를 발견할 것 같은 예감이 들었습니다.

이런 좋은 강의를 마련하여 우주에 관해 폭넒은 인식의 범위를 확장시켜주신 박문호 박사님에게 고맙다는 인사를 드립니다.