Tevatron (1983 - 2011)
1983년 당시 1억 2천만 달러 (현재 가치로 대략 2억 6천5백만 달러)를 들여 시카고 근방 바타비아에 건설된 Tevatron이 어제 2011년 9월 30일 그 임무를 중단하고 입자물리학의 역사속으로 사라졌다. 고에너지 물리학의 최전선에 늘 서있을 것 같았던 Tevatron은 그 자리를 지난해 LHC에 물려주었고 이 자랑스런 후배에게 힉스 발견의 영광은 넘겨줄 것으로 예상된다.
요사이 메이져리그 프로야구 최고 수준 선수들 연봉이 2000만불이 넘어간다고 하니 상대적으로 덜 비싸 보이는 이 입자가속기는 아마도 가장 무거운 소립자 top 쿼크를 발견하게 해준 고마운 머신으로 기억될 것이다. (당연하게도 이 거대한 발견에 노벨상이 수여되어야 할 것이라는 기대가 된다.)
표준입자물리학 모형에서 Top 쿼크는 아직 발견되지 않은 힉스 입자를 제외하고 가장 무겁다. "물질 입자"인 페르미온 만 따지면 두번째로 무거운 Bottom 쿼크 (혹은 Beauty 쿼크)보다도 40배 가량 무거운 입자인 Top 쿼크는 힉스 입자와 가장 강하게 결합하기 때문에 힉스 입자에 대한 간접 정보를 우리에게 제공해주고 있다. 힉스와의 결합세기를 결정짓는 유카와 결합상수의 세기는 다음 처럼 결정된다.
여기서 붉은 색으로 표시한 부분이 다름 아닌 탑쿼크의 질량. 따라서
혹은
결합상수가 1에 가깝다는 이야기는 똑같은 메커니즘을 통해 만들 수 있는 가장 무거운 입자가 탑쿼크일 가능성이 크다는 이야기도 된다. (yt/ 4pi를 섭동 상수로 활용하면 4pi배 더 큰 입자가 가능하다고 생각할 수도 있지만 섭동의 높은 차수 항의 중요성이 커지기 때문에 섭동 계산의 정확도를 높이기 위해서는 보다 복잡한 계산이 동반되어야 한다.)
이 처럼 큰 결합상수 덕분에 힉스 질량 결정에 가장 큰 기여를 하는 입자가 탑쿼크이다. 그리고 Tevatron, LHC등 하드론 가속기에서 힉스 입자 생성 메커니즘인 (g g -> H)에도 탑쿼크의 기여가 가장 중요하다. 힉스 입자가 발견된다면 그 이면에 탑쿼크 물리학에 대한 이해가 단단하게 뒷받침하고 있다는 것에 감사해야할 것이다.
Tevatron의 두번째 중요한 기여는 Bs 메존의 진동현상 발견으로 생각한다. 특히 Bs 메존 (bs 쿼크의 결합상태)에 대한 물리학은 B-공장들이 커버하는 B메존 물리학과 더하여 무거운 맛깔(flavor) 물리학에 대해 보다 깊은 이해를 가능하게 해주었다. 여전히 무거운 맛깔 물리학의 영역은 '문제'와 '미스터리'가 혼재하고 있기에 향후 LHCb와 super-B 공장들에 거는 기대가 클 수 밖에 없는 것이다. 물론 Tevatron이 그 길을 여는데 중요한 역할을 했음은 두말할 필요가 없겠다.
Good bye, Tevatron~!
at 2011/10/01 08:32
덧글
탑 쿼크 발견 소식이 엊그제 같은데 벌써 테바트론이 은퇴라니..
《LHC》는 재밌게 읽고 있는 책인데 박사님의 선배님인데다가 필독서로 추천하신 걸 보고 역시~! 했습니다.
쌀쌀한 가을 날씨에 건강 하시구요.~