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노벨상인물

카를로 루비아 Carlo Rubbia

카를로 루비아 [이미지]
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CERN (유럽입자물리연구소)
  • 작성 2014-03-19
  • 조회 4,277
  • 출생1934-03-31(79세) ~
  • 국적 이탈리아
  • 분야물리학
  • 소속컬럼비아 대학교(박사후 과정), CERN(유럽입자물리연구소), 하버드 대학교
  • 출신대학스쿠올라 노르말레 수페리오레(학사, 박사)
  • 주요업적약력을 매개하는 W입자와 Z입자의 발견
  • 수상노벨 물리학상 (1984)
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인물정보

카를로 루비아 (Carlo Rubbia, 1934 년 3 월 31 일 ~) 는 시몬 판 데르 메르와 함께 유럽 입자 물리 연구소에서 W 와 Z 보존 * 을 발견한 공로로 1984 년 노벨 물리학상을 수여받음 .

* 입자 물리학의 표준 모형에서 W 보손과 Z 보손은 약한 상호작용을 매개하는 게이지 보손이자 기본입자로 둘 다 벡터 입자 ( 스핀 1) 다 . W 보손은 ±1 의 전하를 갖고 , Z 보손은 전하를 갖지 않음


[W와 Z보손의 발견]
그는 피사고등사범학교에서 공부했으며 우주선 실험으로 1959년 피사의 대학교를 졸업하고 미국으로 가서 1년 반동안 컬럼비아 대학교에서 뮤온의 붕괴와 핵포획 실험에 시간을 보냈다. 이것은 루비아가 한 약한 상호작용장에서 수행한 많은 실험들 중 첫 실험으로 이러한 실험들로 CERN에서 노벨 물리학상을 받을 수 있게 되었다.

1960년대에 다시 유럽으로 돌아와서 그가 약한 상호작용의 실험을 하게 되는 시설인 새로이 설립된 유럽 입자 물리 연구소(CERN)로 왔다. CERN은 단지 다른 것과 충돌시키기 위한 양성자 빔인 교차 저장 고리를 가속기로 취역시켰다. 루비아와 그의 동료들은 거기에서 실험들을 지휘했으며, 약력에 대한 연구를 계속 하였다. 약력장에서의 주요한 결과는 탄성 산란 과정의 구조를 관찰한 것과 맵시있는 중입자른 관찰한 것이다. 이러한 실험들은 중대한 것으로 후에 다른 종류의 입자 충돌기로 더 색다른 입자들을 관측하기 위한 기술들을 마무리하는 것이다.

[실험 물리 경력]
1976년에 그는 CERN의 같은 고리 안의 양성자와 반양성자가 충돌하는 슈퍼 양성자 싱크로트론과 세계 최초로 반양성자 공장을 만드는데 지원할 것을 제안하였다. 이 가속기는 1981년부터 작동하기 시작했으며 1983년에 UA1 협력으로 알려진 카를로 루비아가 이끄는 100명 이상의 물리학자로 이루어진 국제적인 팀이 직접적인 측정이 되기 훨씬 이전의 기본 입자 물리학의 현대 이론의 초석이 되는 상호작용하는 보손 벡터인 W'' Z'' 보손을 발견했다. 그들은 약력이 전달되어 원자핵 안의 방사능 붕괴가 일어나는 것과 대부분의 물리적 현상과 생화학적 현상을 일으키는데 기여하는 빛의 질량없는 입자인 광자처럼 태양의 연소를 조절할 것이라 믿었다. 또한 약력은 원소의 핵합성에서 기본적인 역할을 수행할 것이라 믿었다. 이런 입자들은 양성자보다 100배 더 큰 질량을 가지고 있었다. 1984년 카를로 루비아와 시몬 판 데르 메르는 ''큰 프로젝트에서 그들의 결정적인 기여가 약력 매개자인 장 입자 W'' Z'' 보손의 발견으로 이끌었기에'' 노벨상을 받았다.

이 입자들이 충분히 높은 에너지를 갖기 위해 루비아는 데이비드 클라인과 피터 매킨티르와 함께 급진적인 새 입자 가속기의 디자인을 제안했다. 그들은 반물질 쌍둥이인 양성자 빔과 반양성자 빔을 이용하여 가속기의 진공 파이프에서 역회전시켜 정면으로 충돌시켰다. 그 결과로 과학자들은 반양성자 빔의 세기를 만들고 다루기 위한 여러가지 많은 기술들을 개발해야 했다.

게다가 상호작용하는 메존 벡터의 발견은 CERN의 양성자 - 반양성자 가속기가 1981년부터 사용하여 2002년 페르미 국립 가속기 연구소의 테바트론에게 그 역할을 넘겨주고 사용을 끝낼 때까지 고에너지 물리학의 한 장면을 지배하였다. 전체적으로 고에너지 충돌의 새로운 현상학이 결과로 나오고 있으다. 글루온은 같은 강력 양자의 교환이 강한 상호작용 현상을 지배하며 상호작용하는 보손 벡터이다. 이는 비록 분명히 질량은 없으나 상호작용하는 광자와 비슷하다. 그 대신 W'' Z'' 입자는 이런 보손 벡터들 중에서 가장 무거운 입자이며 지금까지 입자 가속기에서 생산되었다.

이에 더해 이 발견들은 이론 물리학자들이 표준 모형이라고 불리는 가장 기본적인 단계에서 자연을 묘사하려는 그들의 노력이 바른 길이라는 강력한 증거를 제공했다. 중간 벡터 보손의 자료는 스티븐 와인버그, 셸던 리 글래쇼, 압두스 살람에게 1979년 노벨상을 안겨준 "전자기약력" 이론을 포함한 예견을 확인시켜주었다. "전자기약력" 이론은 자연의 네 가지 힘 중 2개인 전자기력과 약력을 식의 같은 집합 하에서 통합하도록 시도한다. 이는 이론 물리학자들의 오랜 꿈인 원자핵끼리 끌어당기는 강력과 궁극적으로 중력까지 아우르는 "통합된 장 이론"의 근거를 제공한다.

1970년 루비아는 하버드 대학교의 졸업생들로부터 지원받는 물리학 교수로 임명되어 1년당 한 학기씩 18년동안 하였다. 이후 1989년 다시 CERN에서의 연구를 계속하기 위해 심의관으로 임명되었다.

또한 루비아는 양성자의 붕괴 신호를 측정하기 위해 설계된 그란 사소 실험실의 공동 작업 노력에 깊이한 리더 중 하나였다. 실험은 물질이 안정하다는 통상적인 믿음이 틀렸다는 증거를 찾는 것이었다. 가장 넓게 받아들어진 통합 장 이론의 설명은 양성자가 영원히 존재하지 않으며 에너지에 대해 적어도 평균 수명이 1032 정도로 서서히 붕괴된다고 예측한 것이다. 같은 실험으로 극도로 순수한 아르곤에서 이온화 현상의 전기적 관측의 새로운 기술에 기초한 ICARUS라고 알려진 실험으로 우주의 중성미자 신호를 탐지하는 첫 번째 기초적인 중성미자 망원경인 태양에서 방출된 중성미자의 직접적 관찰을 돕는 것이다.

게다가 카를로 루비아는 핵 반응로에서 고준위폐기물을 소각하기 위해 전 세계적으로 활발히 연구되고 있으며 자연 토륨과 감손 우라늄에서 에너지를 생산하는 오늘날의 가속 기술을 최대한 잘 이용하여 새롭고 안전한 방법인 핵 에너지를 생산하는 에너지 증폭기의 개념을 제안했다. 이 연료에서 나온 에너지 자원은 실질적으로 제한되지 않았으며 핵융합에 비교될 가능성이 있다.

[논란]
CERN에는 W와 Z보손의 발견을 동시에 연구하는 두 팀이 있었는데 다른 한 팀은 UA2로 알려졌으며 비슷한 시기에 W보손을 발견했으며 UA1보다 3주 앞서 Z보손을 발견했다. 그러나 UA1팀의 발견만이 공헌한 것으로 되어있다.[2] CERN의 심의관들은 UA2의 항의에 대해 UA1을 지원했다.

[현재 활동]
루비아의 연구 활동 현재 미래를 위한 에너지 지원 문제에 집중하고 있으며 특히 재생 가능한 에너지 자원을 위해 새로운 기술 개발에 집중하고 있다. 이탈리아 정부가 후원하는 ENEA의 회장으로 있는 동안(1999-2005) 상업적 용도를 위한 현재 산업계에서 개발되는 아르키메데 태양열 발전소로 알려진 에너지 생산을 위한 집광형 태양 발전소를 위한 새로운 기술을 개발하였다.

루비아는 스페인의 CIEMAT의 주요한 과학계 조언자이며 2007년에 EU의 회장 바로소가 기후 변화를 때문에 설치한 고위급 고문 그룹의 일원과 IMDEA 에너지 기관의 이사회였다. 2009년에서 2010년엔 칠레 산티아고에 위치한 에너지를 위한 라틴 아메리카의 경제 위원회 연합인 ECLAC의 사무총장의 특별 고문관이었다. 2010년 6월엔 카를로 루비아는 독일 포츠담에 위치한 고급 지속 가능 연구 기관의 과학 이사로 임명되었다.

소행성 8398은 그의 업적을 기리기 위해 그의 이름 루비아로 붙어졌다.

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시상연설

노벨상 시상 연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
올해의 노벨 물리학상 수상자는 카를로 루비아 교수와 시몬 반 데르 메르 박사입니다. 스웨덴 왕립과학원이 발표한 이들의 업적은 약력을 매개하는 W입자와 Z입자를 발견한 대형 프로젝트에 결정적인 기여를 한 것입니다.

시상 업적에서 언급한 대형 프로젝트란 유럽입자물리연구소(CERN)의 반양성자 프로젝트를 말합니다. CERN은 유럽 13개국을 회원으로 하는 입자물리 연구를 위한 국제 연구기관으로서 독특하게도 스위스와 프랑스 두 나라의 국경에 자리잡고 있습니다. 이 연구소는 지난 30년의 역사를 거치면서 그 중요성이 날로 커지고 있습니다. CERN의 국제적인 성격은 카를로 루비아 박사가 이탈리아 사람이고, 시몬 반 데르 메르 교수가 네덜란드 사람이라는 사실과 이 프로젝트가 진행되면서 다양한 국적의 과학자, 엔지니어, 그리고 기술자들이 참여해 왔다는 점에서도 잘 드러나 있습니다. 또한 참여자 중에는 CERN에서 일하는 사람들도 있었고, 실험에 관련된 많은 대학교나 연구소의 사람들도 있었습니다. 이러한 인적 협력과 재정 및 과학적 기술의 공동 투자가 있었기에 이 프로젝트가 가능했습니다. 8년 전 반양성자 프로젝트가 제안되었을 때, CERN이라는 배에는 벨기에의 레온 반 호베 교수와 영국의 존 애덤스 경 두 사람의 선장이 있었습니다. 루비아 교수는 확신에 찬 열정으로 높은 파도를 뚫고 나아갔으며, 키를 잡은 반 데르 메르 교수는 더 어려운 파도 속에서도 길을 찾았습니다. 이렇게 이들은 그 배를 새롭고 도전적인 선구자의 길로 이끌었습니다. 고(故) 존 애덤스 경은 두 개의 훌륭한 양성자 가속기를 구축하였는데, 이 가속기들이 새로운 프로젝트에서 훌륭한 역할을 해냈습니다.

한 노벨상 수상자는 CERN 프로젝트에 대해 이렇게 말했습니다.

루비아 교수는 그 프로젝트가 있게 했으며, 반 데르 메르 교수는 그것을 가능하게 만들었다고.

조금 자세히 들여다보면 입자충돌 실험에서 W입자와 Z입자가 생성되기 위해서는 두 가지 조건이 만족되어야 함을 알 수 있습니다. 첫 번째는 입자들이 충분히 높은 에너지를 가지고 충돌해서 에너지-질량 전환에 의해 무거운 W입자와 Z입자를 만들 수 있어야 합니다. 두 번째 조건은 충돌이 충분히 많이 일어나서 아주 드물게 일어나는 입자의 탄생을 관측할 수 있는 기회가 많아져야 한다는 것입니다.

첫 번째 조건은 루비아 교수와 관련되어 있고, 두 번째 조건은 반 데르 메르 교수와 관련되어 있습니다. 루비아 교수의 제안은 CERN에서 제일 큰 가속기인 SPS(Super Proton Synchrotron)를 서로 반대 방향으로 도는 양성자와 반양성자의 저장링으로 사용하자는 것입니다. 두 빔의 입자들은 프랑스와 스위스 국경을 초당 10만 번 이상 넘어 다니면서 수 개월간 이런 일을 반복하게 됩니다. 반양성자는 자연에 존재하지 않는 입자입니다. 적어도 지구상에서는 그렇습니다. 그러나 충분한 에너지를 얻을 수 있는 또 다른 CERN의 가속기인 PS(Proton Synchrotron)에서 반양성자를 만들 수 있었습니다. 이 반양성자들은 반 데르 메르 교수가 이끄는 팀이 건설하는 특별한 저장링에 축적되었습니다.

바로 이 저장링에서 확률 냉각이라는 그의 독창적인 방법으로 높은 강도의 반양성자 빔이 만들어졌습니다. 생성된 입자들의 신호는 SPS 저장링의 두 충돌 포인트를 감싸며 설치된 거대한 측정시스템에 의해 기록되었습니다. 이들 측정시스템 중 가장 큰 것은 루비아 교수가 이끄는 팀이 설계·제작·운영하였습니다. 다른 팀에서 구축한 두 번째로 큰 측정시스템은 첫 번째 것과 함께 운영되면서 매우 중요한 결과들을 멋지게 확인해 주었습니다.

약력반응을 이해하려는 오랜 꿈은 작년에 CERN에서 W입자와 Z입자가 발견됨으로써 이루어졌으며, 약력반응이 약한 이유는 바로 W입자와 Z입자가 너무 무겁기 때문이라는 것이 밝혀졌습니다. 약력반응은 입자의 성질을 바꿀 수 있다는 점에서 특이합니다. 예를 들면 중성자에서 양성자로의 전이, 혹은 그 반대의 전이를 유발할 수 있는데 이런 전이들은 태양의 반응에서 대단히 중요합니다. 태양 핵의 연료가 서서히 타도록 만들어서 지구상에 생명이 존재할 수 있는 조건을 만들어 주는 것이 바로 이 약한 반응 때문입니다.

과거에는 방사능 붕괴가 연구에 사용할 수 있는 유일한 약력반응이었습니다. 그러나 이제는 가속기와 저장링의 도움으로 이 분야의 연구가 대단히 활발해졌습니다. 약력반응과 전자기반응에 대한 우리의 이해를 결합하여 이에 관한 지식을 크게 확대한 이론은 셸던 글래쇼, 압두스 살람, 그리고 스티븐 와인버그 교수에게 1979년 노벨 물리학상 수상의 영예를 가져다 주었습니다. 그들은 이 이론의 일관성을 위해 도입한 Z입자와 관련된 새로운 현상을 예측하기도 했습니다. 예측된 현상들은 약 10년 전 CERN의 실험에서 최초로 관찰되었습니다.

과학사에서 이와 비슷한 일이 120년 전에도 있었습니다. 맥스웰이 전기와 자기 현상의 이론을 만들었을 때 이 이론의 일관성을 위해서 새로운 무언가가 필요했습니다. 그것이 라디오파를 예측하는 단초를 제공했으며 약 100년 전에 하인리히 헤르츠에 의해 라디오파가 실제로 발견되었습니다. 현대의 전기약력 이론에서는 전자기적 광양자뿐 아니라 일종의 충격흡수장치같이 작용하는 W와 Z입자도 힘의 매개체로 기술됩니다. 그 역할은 우주 생성의 초기단계인 빅뱅의 시기에 자주 일어났을 강한 충돌에서 특히 두드러지는데, CERN의 충돌장치에서 일어난 충돌도 충분히 강해서 잠깐 동안 힘의 매개체이며 충격흡수체인 이 입자들을 드러낼 수 있었습니다. 새로 만들어진 입자들의 불꽃놀이가 관측기를 이용하여 관찰되었으며, 그 기록은 W입자와 Z입자의 존재를 드러냈습니다. 그들의 특성을 측정하기 위한 연구도 이미 시작되었습니다.

루비아 교수님, 그리고 반 데르 메르 박사님.
CERN의 양성자-반양성자 충돌장치를 이용하여 성공적 연구를 이끈 최근 여러분의 성과는 전 세계를 경탄시켰습니다. W와 Z입자의 발견은 물리학의 역사에서 라디오파나 전자기 매개체인 광양자의 발견에 버금가는 것입니다. 여러분은 CERN과 참여 대학의 많은 공동 연구자들과 함께 이 기쁨을 나누었습니다. 그리고 잘 알려진 바와 같이 그들이 에너지나 충돌 빈도의 새로운 기록을 세우고, 충돌에 의해 생성된 새롭고 흥미로운 현상들을 발견함으로써 여러분의 성과를 더욱 빛내고 있습니다. W와 Z입자의 발견은 끝이 아니라 바로 시작입니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표해서 여러분께 깊은 축하의 말씀을 전하게 되어 기쁘고 영광스럽습니다. 이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 괴스타 엑스퐁

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자료출처
CERN-Nobel prizes(www.cern.ch/), google, wikipedia, naver

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