NEFC

미국의 물리학자. 고에너지 물리실험을 전문으로 하여 스파크상자 기술 개발에 공헌하고, 동료인 V.L.피치 등과 함께 K중간자 붕괴에서의 기본적 대칭성의 파괴를 발견하였다.

시카고 일리노이주에서 1931년 9월 29일에 태어난 제임스 크로닌. 그의 아버지 제임스 팔리 크로닌(James Farley Cronin)은 시카고 대학 졸업생 이였으며 고전어를 전공하였다. 그의 어머니 도로시 왓슨(Dorothy Watson)은 노스웨스턴 대학 그리스어 수업에서 만났다. 그의 아버지는 사우선 메소디스트 대학의 라틴어와 그리스어 교수가 된다. 제임스 크로닌은 미국 하이랜드 파크(Highland Park)국립학교에서 교육을 받았고 고등학교 때 찰스 마셜(Charles H Marshall)이라는 훌륭한 선생님 덕분에 물리학에 흥미를 갖게 되었다고 한다. 그분은 실제 실험적 문제뿐만 아니라 간단한 물리학적 시스템을 적용하는 분석적인 방법을 강조했다.

1947년 서던 메소디스트 대학 물리학과에 입학하여 1951년 학사학위를 받았다. 이것을 발판으로1951년 9월 시카고 대학원에서 연구를 시작하게 되었다. 이탈리아의 원자 물리학자 엔리코 페르미(Enrico Fermi), 미국의 이론 물리학자 겔만(Murray Gell-Mann), 미국 원자물리학자 에드워드 텔러(Edward Teller) 그리고 1963년 노벨 물리학 수상자 마리아 메이어(Maria Mayer)까지 물리학 분야에서 빛을 발하는 교수들에게 가르침을 받았다. 사무엘 앨리슨(Samuel K. Allison)의 지도 아래 실험적 핵물리학에 관한 가설에 대한 논물을 쓰고 1953년 박사학위를 받았다. 그 동안에, 스트레인지니스의 이론을 연구하던 겔만(Gell-Mann)의 수업은 크로닌의 입자 물리학의 새로운 분야에 관해 연구하도록 궁극적으로 결정을 내리게 한 결정적인 순간 이였다. 또한 1953년에 어린 과학자 안네트 마틴(Annette Martin)을 만나 깊은 교재를 나눈 후 1년 뒤 결혼을 하게 된다.

1955년 시카고 대학에서 박사학위를 취득 후 그는 뉴욕 롱아일랜드에 위치한 브룩헤이븐 국립 연구소 물리학 연구원이 되었다. 브룩헤이븐에서의 그의 업무는 세계의 가장 강력한 입자 가속기30억 전자 볼트(GeV) 코스모트론을 활용하는 것 이였다. 크로닌은 브룩헤이븐에 있던 시기를 그의 경험 중 가장 흥미로운 시간이라고 말했다. 그의 연구에는 어려움이 뒤따랐는데, 1958년 초 코스모트론은 비극적이게도 자성의 실패로 사용할 수 없게 되어 작동을 중지시켜야 했다. 실망과 좌절 속에 팀원들은 베바트론 입자 가속기를 갖고 있는 버클리에 위치한 캘리포니아 대학으로 그들의 실험장소를 옮겨야 했다. 그러던 중 브룩헤이븐의 동료 중 발 피치(Val fitch)가 뉴저지에 위치한 프린스턴 대학에 교직을 제안하고 1958년 가을 크로닌은 프린스턴 대학의 교수로 일을 시작한다.

프린스턴 대학에서 크로닌은 열정적인 스폰서를 얻어 중핵자 부식에 초점을 맞추어 연구할 수 있게 되었다. 조지 레이놀드(George Reynolds)소장의 연구소에서 독립적으로 연구하고자 하는 크로닌의 연구를 받아 들였고 그 후 10년 동안 그는 물리학 연구에 많은 지원을 받았다. 이 시기 동안 크로닌은 그와 발 피치(Val Fitch)가 노벨상을 수상하게 만든 연구에 몰두 할 수 있었다. 연구의 근원은 1956년에 확실한 원자력 반응 동안 동등성 보존에 관해 연구한 물리학자 리정다오(Tsung-Dao Lee)와 양전닝(Chen Ning Yang)박사에 의해 제안되었던 고전 실험을 발견할 수 있었다.

끝내 그들은 23,000번 넘는 프레임 연구에 있어서 CP위반데 대한 45개의 사례들을 발견했다. 이 연구에 대한 공로로 1980년 노벨 물리학상을 수상했다. 기쁨과 지친 생태로 크로닌과 그의 아내는 프랑스로 1년간 여행을 떠났다. 그 시간 동안 물리학자는 샤끌레원자력 연구센터에서 연구를 했다. 그는 프랑스어를 배웠고 타문화에 흠뻑 빠져들었다. 크로닌은 프랑스 대학의 물리학 강연에서 프랑스는 그의 삶에 커다란 행복 이였다고 언급하기 까지 했다.

1965년 프린스턴 대학으로 돌아와 1964년까지 전임교수로 승진한다. 새내기 대학원생들과 함께 중성 K중간자의CP-위배 모드를 조사하기위한 실험을 시작했다. 그와 그의 팀원들은 크로닌이 프린스턴 대학을 떠나 그의 모교인 시카고 대학에서 물리학 교수직을 역임하기 전까지 실험을 이어나갔다. 전하는 바에 따르면 그의 결정은 시카고를 벗어난 페르미 국립 가속기 연구소의 새로운 입자 가속기 주위에 있고자 하는 열망이 바탕이 있었기 때문이라고 한다. 1997년 크로닌은 시카고 대학과 유타대학 물리학 겸임교수로 지냈다. 그는 시카고 대학 물리학과 및 천문학과 명예교수이자 시카고에서 엔리코 페르미와 비슷한 유사한 위치에 오르기도 했다.

<공동수상>

밸 로그즈던 피치(Val Logsdon Fitch, 1923~2015)
미국의 핵물리학자. 제2차 세계대전 중 육군으로서 맨해튼 계획에 참여하면서 물리학에 관심을 가졌다. 1954년에 컬럼비아 대학에서 물리학 박사학위를 취득하였고, 1960년에 프린스턴 대학교의 교수가 되었다. 공동 수상자인 제임스 W. 크로닌과의 실험을 통하여 대칭원리의 위배를 발견함으로써 오랜 시간동안 과학에서 받아들인 전제들 중 하나를 제거하는 데에 공헌하였다.

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

스웨덴 왕립과학원은 대칭원리의 위배를 발견한 실험의 공동 연구자인 제임스 크로닌 교수와 밸 피치 교수께 올해의 노벨 물리학상을 수여하기로 결정하였습니다. 이 실험은 1964년 미국의 브룩헤븐 국립연구소에서 수행한 것으로 소립자 중 하나인 중성 K메손의 붕괴에 관한 것입니다.

어느 날 저녁 갑자기 외계인들이 곧 지구에 착륙할 예정이고, 그들이 지구의 구성 물질에 대한 정보를 급히 필요로 한다는 텔레비전 뉴스가 방송된다고 상상해 봅시다. 외계인들이 알고 싶어 하는 것은 지구가 물질로 되어 있는지, 혹은 반물질로 되어 있는지 하는 것입니다. 이 두 종류의 물질은 서로를 완전히 상쇄시키는데, 그 외계 여행자들은 여행을 떠나기 전에 그들 자신의 것에 대한 조사를 마쳤다는 것입니다. 이 질문에 대한 대답은 그들의 삶과 죽음을 결정하는 대단히 중요한 문제입니다. 그 여행자들이 알고 싶은 것은 결국 지구상에서도 같은 조사를 했었는지 하는 것입니다. 크로닌과 피치 교수의 발견 덕분에 우리는 그들에게 명쾌한 답을 줄 수 있게 되었으며, 그들은 비참한 최후를 피할 수 있게 되었습니다. 이제 공상 과학 소설 속에서 현실로 돌아오겠습니다만, 다행히도 1964년 이전까지는 어떤 외계인도 방문하지 않았습니다.

대칭성은 과학의 대지침이며 대칭원리는 우리가 자연의 수학적 원리를 발견하는 데 도움을 주는 가이드 역할을 해왔습니다. 오늘 노벨상이 수여될 발견의 업적은 세 개의 거울대칭과 관련된 것입니다. 그중 하나는 보통의 거울 반사로서 오른쪽과 왼쪽을 맞바꾸는 것입니다. 다른 두 종류의 대칭은 시간과 전하의 반사로, 각각 전진과 후진을 맞바꾸는 것과 물질과 반물질을 맞바꾸는 것을 의미합니다. 전하의 경우는 양전하와 음전하를 바꾸는 것입니다.

공간에서 대칭성의 아름다움은 옛 알함브라 궁전의 화려한 장식에서부터 최근의 에스헤르의 정교한 목각 작품에 이르기까지, 베니스의 도게스 궁에서 스톡홀름 시의 청사에 이르기까지 예술과 건축의 영역에서 잘 드러납니다. 요한 세바스찬 바흐는 주제의 공간적 대비와 주제가 반대로 연주되는 시간적 대비를 모두 사용하는 절묘한 대칭을 통해 음악을 만들었습니다. 물리법칙들은 바흐의 곡 「캐논」을 닮았습니다. 그들은 공간적으로 그리고 시간적으로 대칭입니다. 즉 좌우를 구별할 수 없으며 전진과 후진을 구별할 수도 없습니다. 오랫동안 모든 사람들은 그래야만 한다고 생각해 왔습니다. 그러나 놀랍게도 그 예외가 밝혀졌습니다. 방사능 붕괴의 법칙은 좌우 대칭성이 지켜지지 않았습니다. 리정다오 교수와 양전닝 교수는 이 혁명적인 발견으로 1957년 노벨 물리학상을 받았습니다.

세 번째 거울대칭은 예술에는 존재하지 않습니다. 전기와 자기 현상을 기술하는 법칙은 양과 음, 두 종류의 전하에 대해 완벽한 대칭성입니다. 서로 상반된 역할을 하는 양과 음의 전하를 가진 반물질들의 발견은 지난 반세기 동안 이룩한 가장 심오한 발전들 중 하나입니다. 오늘날에는 상당한 양의 반물질을 미국의 브룩헤븐연구소나 유럽입자물리연구소(CERN) 같은 특수한 연구소에서 비교적 쉽게 만들 수 있습니다.

크로닌과 피치 교수는 대칭성에 위배되는 K메손의 붕괴가 실제로 일어나는지를 실험하였습니다. 그들 연구팀은, 1000개의 K메손 중 2개는 대칭성을 위배하면서 붕괴하는 것을 발견했습니다. 이 발견은 자연의 법칙이 수정되거나 아니면 새로운 법칙이 나와야 한다는 것을 의미합니다. 이미 1955년 겔만과 파이스는 중성 K메손을 분석하면서 이상한 점을 발견했습니다. 특이하게도 K메손은 물질과 반물질 모두에 대해 양면성을 가지고 있었습니다. 만약 완벽한 대칭성이 유지된다면, K메손의 정확히 반은 반물질로, 나머지 반은 물질로 붕괴가 일어나야 합니다. 리와 양에 의한 혁명의 결론이 뒤집어지지는 않았지만 적어도 새로운 논의가 필요해졌습니다. 코로닌과 피치 교수는 그들의 결과가 미미하지만 명확히 대칭성이 깨진 것을 보여 주고 있다는 결론을 내렸습니다. 이후 그들의 결론은 계속된 일련의 실험에서 확인되었습니다. 이런 대칭성의 위배를 포함시켜야만 비로소 외계로부터 지구를 방문한 손님들에게 정확한 대답을 해주었다고 할 수 있을 것입니다.

그 발견은 시간의 반사를 암시하는 것이기도 합니다. 자연에서 적어도 하나의 테마는 앞으로 진행될 때보다 뒤로 진행될 때 더 서서히 일어나고 있습니다.

예술가들은 거의 대부분 그들의 작품에 대칭성이 깨지는 요소를 넣습니다. 아마도 자연의 법칙 역시 가장 심오하다는 점에서 예술작품이라고 하겠습니다. 완벽한 대칭성의 위배는 새로운 통찰의 길을 열었습니다. 이런 시구처럼 말씀입니다.

아라베스크에 있는 매듭을 나 외에는 어느 누구도 보지 못했다네

피치 교수님, 크로닌 교수님.
과학계는 여러분의 발견이 발표되었을 때 큰 충격에 휩싸였습니다. 진정 어느 누구도 이러한 일이 일어나리라고 예상하지 못했습니다. 여러분은 노련함과 결단력을 가지고 연구를 추진하여 불가능에서 가능함을 발견했습니다.

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

- 스웨덴 왕립과학원 괴스타 엑스퐁