2012 년 CERN 연수보고서 - 한국과학교사신의입자를노크하다! 발행 : 한국과학창의재단서울시강남구선릉로 602( 삼성동 37-20, 태일빌딩 ) 전화 , Fax 기획 : 한국과학창의재단정진수, 민영경, 이현숙 집필및개발 : 이제승

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2 2012 년 CERN 연수보고서 - 한국과학교사신의입자를노크하다! 발행 : 한국과학창의재단서울시강남구선릉로 602( 삼성동 37-20, 태일빌딩 ) 전화 , Fax 기획 : 한국과학창의재단정진수, 민영경, 이현숙 집필및개발 : 이제승 ( 고색고 ), 강계숙 ( 세화중 ), 강버들 ( 신정고 ), 김명하 ( 안산고 ), 김상협 ( 화홍중 ), 김용순 ( 대구여고 ), 김태익 ( 수완고 ), 노재준 ( 대전과학고 ), 노희진 ( 인천청라고 ), 문영하 ( 영광여고 ), 신동선 ( 경남과학고 ), 신명석 ( 여의도중 ), 연제근 ( 청주고 ), 윤석오 ( 천안북중 ), 이소정 ( 구룡중 ), 임정욱 ( 미양고 ), 전찬희 ( 범박고 ), 정희숙 ( 양운중 ), 황문규 ( 전북사범대부설고 ), 황상연 ( 강릉여고 ) 감수 : 이창환 ( 물리학박사 ) 편집 디자인 전자책 (epub) 제작 : 다이피아 ( * 한국과학창의재단의서면허락없이는 학교에서의교육활동및기타공공목적에따른활동 이외에다른용도로이책의내용을이용할수없습니다.

3 Index. 격려의글 인사의글 감사의글 제 1 장. CERN 소개 ( 이제승 ) 1. CERN 소개 2. CERN에서의교육및연수 제2장. 입자물리 ( 임정욱, 노재준 ) 1. 입자물리학 2. 물질의기본단위 3. 실험장치 4. 표준모형 5. 통일이론 제3장. 우주론 ( 강계숙, 연제근 ) 1. 우주론의본질과 CERN의과제 2. 수학과물리학의세계로보는우주론의차이 3. 대폭발이론의탄생배경 4. 대폭발우주의진화과정 5. 3K 우주배경복사의관찰방법 6. 대폭발이론이남긴과제 제4장. 입자검출기 ( 노희진, 김상협, 김명하, 정희숙, 신명석, 윤석오, 황상연, 신동선 ) 1. 방사선의검출 2. 검출기의원리 3. CMS(Compact Muon Solenoid) 4. ALICE(A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC)

4 제5장. 입자가속기 ( 황문규, 이소정 ) 1. 입자가속기원리 2. 빅뱅과입자가속기 3. CERN에서의입자가속기들 제6장. 그리드컴퓨팅 (Grid Computing) ( 김태익, 김용순 ) 1. 정의와개념 2. 그리드컴퓨팅의발전과정 3. 그리드컴퓨팅을위한표준화 4. CERN과그리드컴퓨팅 제 7 장. 방문및체험소개 ( 전찬희, 강버들 ) 1. ETH 취리히공과대학 2. 과학체험의요람테크노라마 제8장. 개발수업자료및적용사례 ( 김상협, 노희진 ) 1. 입자가속기 2. 안개상자 3. 글로벌체험캠프 ( 주제 : 입자물리맛보기 ) 후기 1. CERN 연수준비를위한 Tip ( 전찬희, 문영하 ) 2. 연수소감문 3. CERN 연수단명단

5 발간사 한국은 2009 년 OECD 개발원조위원회 (DAC Development Assistance Committee ) 에가입하고세계역사상최단시간내에원조를 받는나라 에서 ' 주는나라 ' 가되었으며, 2010년 G20정상회의의개최로국제적위상이높아짐에따라전세계의주목을받고있습니다. 특히뚜렷한천연자원이나물적자본의절대적부족에도불구하고오직교육과인적자원개발이라는자산을가지고발전을이룩했기때문에더많은주목을받고있으며국제사회는우리나라의교육정책을공유하기를희망하고있습니다. 오바마미대통령의한국교원에대한칭찬은이미널리알려진바있습니다. 금년 5월, 교육과학기술부는제5차 APEC 교육장관회의를대한민국경주에서개최하고아시아태평양역내지식정보격차해소와인적자원개발에대해협의하였습니다. 동회의에서미국중국러시아를비롯하여많은국가들이한국의우수한교육적성취를언급하고, 특히한국교육의근간이되는교사에대해깊은관심을보이며교사교류사업확대를요청하였습니다. 교과부는한국의국가적위상에걸맞는교육경쟁력을확보하고국제화등학교환경의글로벌교육수요에대응하기위하여이미 2011년 2월

6 우수교원해외진출지원 5개년계획 및 7월 글로벌교원양성및교류활성화방안 을수립하고, 우수교사예비교사해외진출지원사업, 외국학교와의교사교류사업, 교원양성기관의글로벌화지원사업등을시행하고있습니다. 미래학자인피터드러커 P.Drucker 는지식기반시대의국가경쟁력은새로운기술창출에달려있다고말했습니다. 새로운기술창출은교육과과학기술경쟁력에그성패가달려있으며, 학교는새로운기술을창조할수있는무한한잠재력과가능성을가진인재를양성하는장이되어야할것입니다. 이제, 교육과학기술부는과거한국을부강하게만든원동력이되었던우수한 인력 의양성에서한발자국더나아가, 미래사회를주도해나갈수있는글로벌경쟁력과창의적사고를가진 인재 를육성하기위한다양한노력을견지하고있습니다. 이를위해선진국및개도국과의교류를지속적으로확대하고교원의글로벌역량강화를위한정책을꾸준히추진하고있습니다. 이러한차원에서, 교과부는지난해아시아국가중최초로 CERN 교사연수프로그램에참가한데이어, 금년에도 우수중등교원국제연구기관연수사업 을실시하여국내우수중등과학교사 30 명을대상으로유럽핵입자물리연구소 (CERN), 미국항공우주국 (NASA) 등세계적인연구현장을체험하고글로벌역량을강화할수있는기회를가졌습니다. 참가교사들은동연수에서체득한정보와지식을바탕으로과학캠프를열어국내중

7 고등학생에게 CERN, NASA의과학체험기회를제공하고, 성과보고회를개최하여국내교사들에간접체험의기회를제공하는등연수성과확산을위한꾸준한노력을전개하고있습니다. 또한교사들의소중한연수성과를전국의많은선생님과공유하고학교현장의과학교육내실화에기여하고자전자책을발간하게된바, 관심있는분들게도움이되기를바랍니다. 교육과학기술부는향후에도지속적으로시도교육청및한국과학창의재단과협력하여국내우수교사를대상으로 CERN NASA를비롯하여국제적인연구기관에서의전문연수를추진해나갈계획인바, 국내많은선생님들의꾸준한관심과지지를부탁드립니다 교육과학기술부장관이주호

8 격려사 우선중등교사국제연구기관연수를훌륭히마치고돌아와서그경험을모아연수체험기를내신선생님들께감사의말씀을드립니다. 작년에이은중등교사국제연구기관연수사업은올해처음으로한국과학창의재단이사업을주관하면서, 파견기관을 2개로늘리고국내사전연수와글로벌체험캠프를개최하는등보다발전된사업이되도록노력하였습니다. 발간된연수체험기에는중등교사국제연구기관연수에서선생님들께서연수받은내용, 소감, 개발한교육자료들이포함되어있습니다. 이는연수에참여하지못한교원들에게는세계적수준의연구현장을간접체험할수있는자료가되고또내년에연수에참여할선생님들에게는귀중한지침서가될것으로기대됩니다. 연수성과를많은사람들과나누고자바쁜학교생활에서도귀중한원고를보내오신선생님들께진심으로감사드리며, 앞으로도대한민국의글로벌미래인재육성에든든한동반자가되어주시기를기원합니다. 감사합니다 한국과학창의재단이사장강혜련

9 감사의글 국제연구기관연수를희망하는수많은중등교원지원자들가운데감사하게도 2012년 CERN 연수대상자선정통보를받은후, 벅찬기대감과설레는가슴을안고현대입자물리학의메카인스위스제네바의유럽핵입자물리연구소 (CERN) 에다녀온지벌써두달여가지났다. 하지만연수기간내내후끈했던 CERN 강의실과 LHC 현장에서의열공분위기, 만년설덮인몽블랑이선명하게보이는구내식당에서우리한국과학자들과노트북모니터로함께했던런던올림픽축구응원등아직도그때의감동이가슴가득꿈결처럼남아있다. 국제연구기관연수대상자선발은 2011년각시도별인원배당과선발과정에서의문제점등을개선하여금년에는전국의모든지원자에대하여한국창의재단에서같은기준으로국제연구기관연수목적에적합한분을직접선발하였다고한다. 전국적동일한선발기준에의해서로배려하며소통할수있는다양한경력과연령층이고려된역량있는선생님들로선발함으로써연수기간내내집단지성의발휘와끈끈한정을나누는행복한연수로진행되었다. CERN 연수단원모두는이번연수를계기로앞으로도 CERN Ambassador로서활동을계속해나갈것을다짐하였고이를실천하기위하여매년 1 월 3 주금 ~ 토이틀을 2012 CERN 연수단의날로정하여정기모임을지속적으로개최하기로의기투합하였다. 작년에는연수보고서를책자로만작성하였지만금년에는 CERN 연수프로그램의학교현장활용성제고를위하여전자책으로도제작하게

10 되었다. 전자책의구성은일정별실제연수프로그램을기준으로각내용을정리하고강의동영상및활동동영상, PPT자료와사진을직접탑재또는 CERN 홈페이지와링크하였으며, 가능하면우리 CERN 연수프로그램의결과물이학교교육과정에서직접활용이될수있도록구현하고자노력하였다. 중등교원국제연구기관 CERN 연수를적극지원해주신교과부이주호장관님과관계관님, 연수추진을맡아주신한국과학창의재단강혜련이사장님과정진수단장님, 연수실무진행을위해전력을기울여주신민영경팀장님과이현숙박사님께깊이감사드린다. 그리고 CERN 한국교사단연수의운영책임자이며 CERN 역사의산증인인 Mick Storr 박사님과강사진, CERN의자랑스러운우리한국과학자들께도존경과감사의인사를드린다. 또한연수단인솔및연수진행등의행정업무와통역, 연수내용의명쾌한 summary 강의등일인다역의어려운여건속에서도연수의시작부터끝까지 CERN 연수단을이끌어주신부산대학교이창환교수님께각별한애정을담아감사드린다. 끝으로본전자책을활용하시는모든분들께 2012년 CERN 연수단모든선생님들의마음을담아 CERN 스타일악수 ( 플레밍의법칙 ) 로감사드린다 년대한민국중등교원 CERN 연수단대표 고색고등학교이제승

11 2012 년중등교원국제연구기관 (CERN) 연수사업개관 추진배경및목적 ( 교원의글로벌역량강화 ) 해외국제연구기관에서세계적수준의연구현장을체험하도록함으로써교원의전공지식심화및글로벌역량강화 ( 수 과학교육선진화지원 ) 연수후교재 교구를개발하고과학캠프를진행하는등교육현장에서연수결과활용 연수개요 연수명 : 중등교원국제연구기관 (CERN) 연수 주최 / 주관 : 교육과학기술부 / 한국과학창의재단 기간 : ( 토 ) ~ 8. 13( 월 ) (8박 10일 ) 장소 : 스위스유럽핵입자물리연구소 (CERN), 취리히연방공대 (ETH) 연수학점 : 30시간 2학점직무연수 연수대상 : 전국중등과학교원 20명

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13 해외연수성과의확산 글로벌체험캠프 : CERN/NASA 과학체험개최 에일산킨텍스에서개최하여 198명중 고등학생참가 세계선진과학교육현장을가다! 교원연수 (2012년중등교원국제연구기관연수성과발표회 ) 개최 ( ) 에쉐라톤그랜드워커힐호텔에서개최하여약 80명교원참가 E-BOOK 연수보고서제작 해외연수참가교원연 2회이상수업공개

14 제 1 장 CERN 소개 1. 입자물리학 2. 물질의기본단위

15 1. CERN 소개 * CERN ( 유럽핵입자물리연구소 ) - (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 1. 위치와명칭 1) 위치 : 스위스제네바 ( 스위스와프랑스의국경 ) CH-1211 Geneve 23 Suisse / Switvzerland 2) 명칭 : 처음 - CERN(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, 유럽원자핵공동연구소 ), 현재 - European Organization for Nuclear Research, Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire [ 그림 1-1-1] CERN 마크 ccern

16 2. 임무와역사 1) 임무 : 혁신 (Innovation), 교육 (Education), 연구 (Research) [ 그림 1-1-2] CERN 의임무 ccern 1 지식의최첨단을발전 (Push forward the frontiers of knowledge) [ 그림 1-1-3] CERN 의창조적연구 ccern

17 2 가속기와검출기를위한새로운기술개발 (Develop new technologies for accelerators and detectors) [ 그림 1-1-4] CERN 의가속기와검출기연구 ccern 3 미래의과학자와공학자훈련 (Train scientists and engineers of tomorrow) [ 그림 1-1-5] CERN 의선형가속기엔지니어

18 4 다른국가와문화적배경을가진인류의통합 (Unite people from different countries and cultures) [ 그림 1-1-6] CERN 의한국인과학자들

19 2) 역사 연도 주요역사적사건 드브로이, 연구소설립제안 1952 핵연구를위한유럽평의회 (CERN) 설립승인 1954 CERN 창립 CERN 최초가속기싱크로사이클로트론 (SC) 건설 (600MeV) : 1967년까지이용, 그이후 1990년까지핵물리학용가속기로이용양성자싱크로트론 (PS) 건설 (28GeV) : 현재이용되고있으며, 새가속기에빔을공급하는예비가속기역할 CERN-프랑스국경너머까지확장건설가가멜 ( 대형거품상자 중성미자검출목적 ) 계획 ISR( 교차저장링 : Intersecting Storage Ring) 승인샤르파크, 다중성비례검출기 (multiwire proportional chamber) 발명 1992년노벨상수상 1970 가가멜 ( 지름 1.8m, 길이 4.8m, 무게 1,000 톤, 18 톤의액체프레온 ) 설치 ISR가동-세계최초양성자-양성자충돌 ( 충돌에너지 60GeV) SPS( 슈퍼양성자싱크로트론 : Super Proton Synchroton) 착공 Intersecting Storage Rings(ISR) start operation, the world'd first proton-proton collider 가가멜중성류 (neutral currents) 발견 ; first confirmation of the electroweak theory Super Proton Synchroton(SPS) 가동 빔에너지 400GeV 루비아양성자- 반양성자충돌기제안가가멜 SPS가속기로옮겨짐, 1979년가동멈춤 LEP(Large Electron Positron Collider) 승인다목적검출기 UA1(Underground Area 1), UA2 검출기완성 ISR 세계최초의양성자-반양성자충돌성공 SppS( 양성자-반양성자충돌기 : Super Proton-antiProton Synchroton) 가동 SPS UA1에서 W보존, Z보존발견 (1984년노벨상수상 ) : 루비아와반데르메르공동수상 : 반양성자빔을만들수있게해주는확률적냉각방법발명, LEP 착공 1984 LHC(Large Hadron Collider) 논의시작 / ISR 가동멈춤 1986 SPS 에서중이온충돌실험시작

20 1989 Large Electron Positron collider (LEP) 가동 ; confirms existence of only 3 neutrinons 1990 WWW 탄생 / Tim Berners - Lee invents the World Wide Web 1992 LHC 공식적시작 1993 Precise results on CP violation, a tiny difference between matter and antimatter 1994 LHC 승인 1995 First observation of antihydrogen : LEAR( 저에너지반양성자링-Low Energy Antiproton Ring) 에서반수소를만드는데성공 1997 LEP2 가동 Construction of Large Hadron Collider(LHC) begins LEP 최고에너지도달 (202GeV) Creation of a new state of matter, quark-gluon plasma, which probably existed just after the Big Bang / LEP 종료 2002 First results on antihydrogen atoms 2004 CERN 50 주년 2005 LHC 토목공사완료 CERN 새가속기컨트롤센터가동 LHC 냉각장치완성 LHC 전자석설치완료 / LHC 하드웨어완성 ~9 LHC 냉각시작 / LHC 첫번째빔 / LHC 고장발생 LHC 재가동 / 출력 1 TeV 돌파 LHC 빔재주입 LHC 7TeV p-p 첫번째충돌실험성공 LHC 2.76TeV Pb-Pb 이온첫번째충돌실험성공 LHC 빔주입, 12월까지 LHC 가동 7TeV Pb-Pb 충돌실험시작 (2012년 2월까지 ) Higgs 입자로예측되는기본입자의존재확인 TeV의에너지로올리기위한 LHC 업그레이드작업을위해가동중단예정

21 1) 회원국가 ) 설립당시 (1954년) : 벨기에, 덴마크, 서독, 프랑스, 그리스, 이탈리아, 노르웨이, 스웨덴, 스위스, 네덜란드, 영국, 유고슬라비아 ( 유럽 12개국 ) 나 ) 오늘날 : 오스트리아, 벨기에, 불가리아, 체코, 덴마크, 핀란드, 프랑스, 독일, 그리스, 헝가리, 이탈리아, 네덜란드, 노르웨이, 폴란드, 포르투갈, 슬로바키아, 스페인, 스웨덴, 스위스, 영국 (20개국) 2) 특기사항 가 ) WEB 발상지 : 세계최초 World Wide Web(WWW) 개발 나 ) 노벨물리학상 7 명배출 [ 그림 1-1-7] WEB 개발의역사 4. 주요장치및검출기 (Machine & Detectors) : LHC, ATLAS, CMS, ALICE, LHC-b

22 1) LHC (the Large Hadron Collider, 거대강입자충돌기 ) [ 그림 1-1-8] LHC 와검출기 2) ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS): - 임무 : 힉스입자및초대칭 (supersymmetry) 이론연구 3) ALICE (A Large Ion Collider Experiment) : - 임무 : 쿼크-글루온플라즈마 (Quark-gluon plasma) 연구 4) CMS (the Compact Muon Solenoid) : - 임무 : 힉스입자및초대칭 (supersymmetry) 이론연구 [ 그림 1-1-9] CMS 검출기

23 5) LHC-b (the Large Hadron Collider beauty experiment) - 임무 : 물질과반물질차이연구 6) LHC-f (the Large Hadron Collider forward experiment) 7) TOTEM (the TOtal Elastim and diffractive cross section Measurement experiment) 8) Accelerators - PS Proton Synchrotron, SPS Super Proton Synchrotron Low Energy, LEIR Ion Ring, etc (LINAC, CNGS) [ 그림 ] 가속기

24 9) Computing Grid [ 그림 ] 그리드컴퓨팅

25 2. CERN 에서의교육및연수 1. 교육프로그램 1) 운영목표교사들에게새로운영감및자신감부여. 연수참여교사들간의원활한의사소통. 이수후 CERN Ambassador로서의역할기대. - 학생들에게영감을주고고무시킴. - 일반대중과의의사소통. [ 그림 1-2-1] CERN 의여러가지교육프로그램 ccern 2) 교사프로그램 CERN에서진행되고있는입자물리학과그와관련된과학기술, 역동적인경험, 국제적인연구환경에서의가장최신의연구내용을접할기회제공. CERN 을방문하는교사들을위한특별한프로그램에참여하고여러나라에서온교사들과다양한교류의장을가지게됨.

26 가 ) 물리교사프로그램유럽각지에서온교사들을위한영어로진행하는 3일동안의국제주말코스로서세미나와견학, 교육활동등을포함하며, 현재의입자물리학의전반적인흐름을교육하여가치있는경험을제공나 ) 고등학교교사프로그램국제적프로그램으로 1998년이후매년 7월한달동안 CERN에서열리고있음. 입자물리학및관련과학기술, 또는이와관련된주제에관심이있는사람모두가참여할수있음. 다 ) 국제교사프로그램참여자들의모국어및영어로진행하는프로그램으로강연자료와영상자료들은참여국또는 CERN에서물리교사들을위해제공된자료들로이루어져있음. 라 ) CERN 방문프로그램그룹이나개인을위한안내프로그램운영마 ) 대학생이상을위한프로그램입자물리학분야나가속기물리, 컴퓨팅분야의대학생이나대학원생들을위한프로그램 년 CERN 한국중등교원연수프로그램 1) 개요 가 ) 프로그램의목적 - 고등학교에서입자물리학에대한관심을증진 - 교사들상호간의지식과경험을교환 - 교사들과현대국제연구동향을공유 - 교실내에서뿐만아니라교실밖에서도물리의대중화확산나 ) 기간 : 08.06( 월 )~08.10( 금 ), 09:00~17:00 (30시간, 2학점 )

27 다 ) 현지연수진행총괄 : Mick Storr (CERN) 라 ) 기본구성 - 강연 : CERN, 입자물리학, Cosmology, CMS 및 ALICE 등의 DETECTOR, 입자가속기, GRID COMPUTING 등 - CMS 및 ALICE, 입자가속기등실험시설방문 - 조별활동 ( 제네바시내유적과랜드마크등의탐방체험 MISSION 수행 ) - CERN 현지한국과학자들과의만남 [ 그림 1-2-2] CMS 검출기견학 [ 그림 1-2-3] 한국인과학자들과만남

28 2) 일정별상세프로그램 Sunday, August 5, :00-21:00 Arrival at CERN 1h0' Monday, August 6, :00-09:30 Introduction to the Programme 30' Speaker: Mick Storr (CERN) 09:30-10:30 Welcome and Introduction to CERN 1h0' Speaker: Jonathan R. Ellis (CERN) 10:30-12:00 Introduction to Particle Physics 1h30' Speaker: Se Yong Kim (Sejong University (KR)) 13:30-15:30 Visit Globe and Microcosm 2h0' Speakers: Beomkyu Kim (Yonsei University (KR)), / Eunhyang Kwon (Sungkyunkwan University (KR)), / Mr. Beomsu Chang (University of Jyvaskyla (FI)) 16:00-17:30 Build a Cloud Chamber 1h30' Speaker: Mick Storr (CERN) 18:00-18:30 Review 30' Speaker: Mick Storr (CERN) Tuesday, August 7, :00-10:30 Introduction to CMS 1h30' Speaker: Dr. Cha Won Park (University of Seoul, Department of Physics (KR)) 10:30-12:30 Visit CMS 2h0' Speakers: Min Suk Kim (Sungkyunkwan University (KR)), / Eunhyang Kwon (Sungkyunkwan University (KR)) 12:30-14:00 Lunch (Restaurant 1) 14:00-15:30 Introduction to Cosmology 1h30' Speaker: Geraldine Servant (CERN) 16:00-17:30 Lecture Review 1h30' Speaker: Chang-Hwan Lee (Pusan National University (KR))

29 Wednesday, August 8, :00-10:30 Introduction to Heavy Ion Physics with ALICE 1h30' Speaker: Yves Schutz (IN2P3 (FR) and CERN) 11:00-12:00 Visit Computer Centre 1h0' 12:00-13:30 Lunch (Restaurant 2) 13:30-15:00 Visit ALICE 1h30' Speakers: Mr. Beomsu Chang (University of Jyvaskyla (FI)), / Beomkyu Kim (Yonsei University (KR)) 15:00-19:30 Visit Geneva 4h30' () 19:30-22:00 Programme Dinner 2h30' (Hotel Edelweiss (Place de la Navigation)) Speaker: Mick Storr (CERN) Thursday, August 9, :00-10:30 Introduction to Accelerators 1h30' Speaker: Dr. Mariusz Sapinski (CERN) 11:00-12:30 Visit PS/LINAC/LEIR 1h30' 12:30-14:00 Lunch 14:00-15:30 Visit SM-18 1h30' 15:30-16:30 Basic Concepts of Modern Cosmology 1h0' Speaker: Jinn-Ouk Gong (CERN) 16:30-18:00 Q/A 1h30' Speaker: Chang-Hwan Lee (Pusan National University (KR)) Friday, August 10, :00-10:30 Tier Structures / GRID Computing 1h30' Speaker: Min Suk Kim (Sungkyunkwan University) 11:00-11:30 Programme Evaluation and Close 30' Speaker: Mick Storr (CERN) 12:00-13:00 Lunch

30 다. 교육자료의공유 연수시강의실동영상및 pdf 연수자료파일과 ppt 자료는 CERN web site 에 게시되어있으며, 언제든지누구나활용가능함. [ 참고문헌 ]

31 제 2 장입자물리 임정욱, 노재준 1. 입자물리학 2. 물질의기본단위 3. 실험장치 4. 표준모형 5. 통일이론

32 1. 입자물리학 입자물리학이란이세상이무엇으로이루어져있고, 그것들이어떻게상호작용하는가를밝히는물리학의한분야이다. 현재의이론에의하면세상의모든물질은기본입자또는소립자로구성되어있는것으로밝혀져있다. 또한기본입자들의상호작용은네가지힘에의해이루어지는것으로알려져있다. 기본입자들의성질은초기우주를설명하는데바탕이되는이론이므로우주론도입자물리학과공통분모를갖는다. 또한고에너지물리학이라고도불리는데, 입자물리학의현상들을통상실험적으로증명하기위해서는수백만 ~ 수백억전자볼트 (MeV~GeV) 이상의고에너지로입자의충돌반응을연구하는것이필수적이기때문이다. [ 그림 2-1-1] 입자물리학의연구에중요한역할을하는 CMS 검출기의중심부 ccern

33 2. 물질의기본단위 기본입자로알려진것들이사실은구조를가지고있으며, 더기본이되는입자들로이루어져있다는것이밝혀진경우가많다. 가령 1920년대까지우주의기본구성물질은양성자, 중성자와전자라고생각했으나, 1960년대이후양성자와중성자모두쿼크로이루어진결합물질이라는것을알게되었다. 표준모형에의하면, 전자와중성미자및기타렙톤은기본입자이나, 양성자, 중성자, 중간자와같은하드론은쿼크로이루어진다. [ 그림 2-2-1] 물질을이루는기본입자 ccern

34 3. 실험장치 1. 입자가속기입자물리학의실험은기본입자를찾는일이다. 즉아주속도가높은입자를대상이되는물질과충돌시켜서발생하는파편들을분석하고거꾸로재구성해서, 대상물질의구조를알아내는것이다. 더작은구조를알기위해서는더욱속도가높은입자들이필요하다. 이를위해입자가속기를사용하는데, 더빠른속도를얻기위해서는더큰가속기가필요하다. 현재가장큰입자실험장치는스위스와프랑스의국경에있는유럽입자물리연구소 (CERN) 이다. 이실험장치는원형으로생겼으며지름이 8km에이른다. [ 그림 2-3-1] CERN 의입자가속기구조 ccern

35 2. 대형강입자충돌기 (Large Hadron Collider, LHC) CERN에서세운입자가속및충돌기로, 스위스제네바근방에위치한다 년 9 월 10일, 목표치보다낮은에너지에서가동을시작하였다. 목표에너지수치는 7TeV 로세계최대, 최고에너지의입자가속기이다. [ 그림 2-3-2] 하늘에서본 LHC ccern

36 4. 표준모형 (Standard Model) 지금까지실험으로검증된입자를설명하는가장근본적인이론은입자물리학의표준모형이다. 우리우주는쿼크와렙톤이라는기본적인물질로이루어져있으며이들사이의상호작용은전자기력, 중력, 강한상호작용, 약한상호작용이라는네가지힘으로기술된다. [ 그림 2-4-1] 표준모형 ccern 1. 표준모형의페르미온스핀 ½을가지며, 질량과전하를가지고, 입자와반입자는서로다르다. 표준모형은이들입자의질량을예측하지못하나, 대체로세대가높을수록더무겁다. 표준모형에서강하게상호작용하는입자는쿼크, 그렇지않는입자는전자나중성미자와함께렙톤으로분류한다.

37 쿼크는모두 6 종류가있으며, ±⅓ 혹은 ±⅔ 의전하를가지고, 전자와 양전자와같이중성미자가아닌렙톤은 ±1 의전하를가진다. 이들입 자는힉스메커니즘으로질량을얻는다. 2. 표준모형의보손기본적인물리적힘을전달하는것으로생각되는입자군으로이러한힘은이론적으로전달장 ( carrier field) 에의해한입자에서다른입자로전달되는데, 이전달장은해당보손에의해구체화된다. 주요보손으로는중력자 ( ), 광자 ( ), 글루온 (gluon), 중간벡터보손또는약자 (W와 Z 입자 ) 등이있다. 두질량사이의장거리상호작용인중력은중력자를서로교환함으로써전달되고, 전자기력은광자를통해전달된다. 3. 힉스보존힉스보존은입자물리학의표준모형이제시하는기본입자가운데하나이다. 1964년피터힉스는입자에질량이부여되는과정에대한가설인힉스메커니즘을발표하면서힉스보존의존재를가정하였다. 힉스보존은현대물리학이우주를설명하는데있어중요한역할을담당하고있어, 존재여부를확인하는것에따라지금의물리학에서설명하는우주론자체가얼마나실제와같은지를가늠할수있는기준이된다. 힉스보존은표준모형을수립하면서널리인정되었고, 실험을통해발견되지않은상태에서도입자물리학핵심이론의기반이되었다. 힉스보존은다른입자에비해질량이매우크고짧은시간에붕괴되기

38 때문에대형입자가속기에서만검출이가능하다 년 7 월 4 일, 유 럽입자핵물리연구소의대형강입자충돌기의 ATLAS 와 CMS 실험연 구결과, 힉스입자로추정되는입자의발견가능성이발표되었다. 4. 강한상호작용과약한상호작용 강한상호작용 (strong interaction), 강한핵력 (strong nuclear force), 또는줄여서강력 (strong force) 은원자핵이나중간자들을결합하고상호작용하게하는힘으로, 자연계의네가지기본힘중에가장강한힘이다. 약한상호작용은물리학의네가지기본상호작용중하나이다. 약한상호작용은흔히들약력, 또는약한핵력이라고도부른다. 분자물리학의표준모형에서는약한상호작용은 W와 Z보손의교환때문에일어난다. 약한상호작용은원자핵에서의중성자에서일어나는베타붕괴에서찾아볼수있다. 약력의 약 은약력장의세기가강력장의세기보다약한데에서기인하나짧은거리에서는중력보다세다. 5. 반입자보통물질속에존재하는전자 양성자 중성자등과같은질량을가지지만전하의부호나여러가지성질들이반대인소립자들을뜻하며이러한입자들은양전자, 반양성자, 반중성자또는포괄적으로반입자라고불린다. 반물질은전자의에너지상태에관한폴디랙의연구에서예측되었다. 양전자와전자의충돌은그들을동시에쌍소멸시키고그들의질량은아인슈타인의관계식 E=mc 2 에따라서에너지로변환된

39 다. 이과정을소멸이라고하며발생한에너지는전자기복사나감마선의고에너지를가진양자의형태로방출될수있다. 역반응도적당한조건에서일어날수있으며이과정을전자-양전자쌍생성이라고한다. 이마지막과정이실험실에서양전자를발생하는데흔히사용된다. 6. 표준모형의결함표준모형은이론적으로여러가지의결함을가지고있고, 또현상론적으로관측된일부현상을설명하지못한다. 이때문에학자들은표준모형이더기본적인이론을근사하는유효이론이며, 더높은에너지에서는표준모형이다루지않는새현상이나타나리라고기대한다.

40 5. 통일이론 입자물리학뿐아니라모든물리법칙은복잡한사실을단순한설명으로묶는작업이었다. 이런맥락에서물리학은통일이론의추구라고할수있다. 뉴턴역학은천체물리학과지표면의낙하운동의통일이론이고, 맥스웰의전자기이론은전기와자기를통합한이론이다. 또한표준모형은전자기력과약한상호작용을통합한이론이므로전약력의이론이라고도한다. 현재가장큰이슈가되고있는통일이론은대통일이론 (Grand Unified Theory:GUT) 라고불리는것으로, 표준모형의모든힘을하나의힘으로통합하는것이다. 여기에중력까지통합하는이론을가칭모든것의이론 (Theory of Everything:TOE) 라고한다. 이에대한후보로끈이론이있다 [ 참고문헌 ] Introduction to CMS (Korean Teachers Programme 2012Chawon PARK), Introduction to Particle Physics(Seyong Kim), Introduction to accelerators for teachers (Korean program) Mariusz Sapiński, 한국어위키백과사전

41 제 3 장우주론 강계숙, 연제근 1. 우주론의본질과 CERN의과제 2. 수학과물리학의세계로보는우주론의차이 3. 대폭발이론의탄생배경 4. 대폭발우주의진화과정 5. 3K 우주배경복사의관찰방법 6. 대폭발이론이남긴과제

42 1. 우주론의본질 우리가그동안찾아낸입자의세계는참으로다양하다. 현재우주를이해하기위한소립자들을밝히는 standard model 에서 16개의소립자들이하나하나그정체를드러내왔는데 17번째로이름을올리고자하는힉스, 왜세상은유독이입자에열광하는가? 2012년 CERN에서새로관찰되었다고밝힌입자는바로신의입자인힉스일가능성이크기때문에그렇다. 힉스라는정식이름과신의입자 (particle of god) 라는별명을가진이입자는엄밀히말해서그존재자체를드러낸것이아니다. 그가양성자충돌실험과정에서그의존재가지나간자취를남겼고그자취를찾아내었다는것인데힉스, 그의역할은하드론시기에만들어진입자들에게질량을부여하는역할을맡았다. 입자에질량이부여되었다는것은우주가물질세계로탈바꿈하였다는것이고곧우리가보고듣고만질수있는모든물질세계가힉스와무관할수없다는것을확인하는의미이기때문이다. 또한힉스를통한입자에의질량부여가불가능하다면빅뱅우주의초기인플레이션때우주가매우빠른속도로팽창하다가왜지금은팽창속도가느려졌는지, 왜기대보다우리우주가더크지않은지를설명할수없기때문이다. 소립자에대한인류의집착은알고보면사물을부수고부수어서가장작은알갱이가무엇인지를알고자하는탐구욕과우리밖에무엇이존재하며우리를감싸고있는물질세계의궁극적차원이무엇인지알고자하는탐구욕을동시에해결할수있기때문이다. 그것은자연의원리

43 를탐구하는데있어가장큰질문인 우주는무엇인가?, 그리고 물질이란무엇인가 를알아보고자하는욕구의표출인것이다. 그리고그탐구결과는곧우리는무엇으로이루어져있는가 ( 우리는대체누구인가? 아니무엇인가?) 그리고우리는어디에서왔는가? 그리고우리는어디로가는가? 에대한궁극적인대답이되어줄것이다. [ 그림 3-1-1] 우주의본질에대한연구는입자의충돌로부터시작한다 주위를둘러보고자신을내려다보자. 세상은 나 ( ) 와 나의밖 ( ) 에있는물질로나뉠수있다. 하지만이세계는물질과에너지의순환을염두에두면 나 ( ) 와 나의밖 ( ) 이라는구분이구지필요치않음을알게된다. 아인쉬타인에질량도에너지의특정한형태임이밝혀 졌으므로로시간의흐름에의해에너지가형태를바꾸어 나 ( ) 와 나 의밖 ( ) 으로재배열되었을뿐이다. 모든물질의순환을거꾸로되 돌아거슬러가다보면그근원은모두한점을향해치달려간다. 무려 137 억년정도를거꾸로거슬러가면 나 ( ) 와 나의밖 ( ) 을둘러

44 싸고있는지구의모든것, 태양계, 우리은하, 우리은하가포함된은하단, 외부은하단은하들이몰려있는거대한우주의벽 (great wall) 과빈공간 (void) 등은모두맨홀속으로빨려들어가듯한점으로몰려특이점에도달하게된다. 바로현대과학에서우리우주의역사에대해이구동성으로외치는한점, 빅뱅우주의최초의순간이다. 현재우주에존재하는네개의힘, 중력, 전자기력, 약력, 강력이분리되지않고통일되어있을것으로믿어지지만현대과학으로정확히알수없는순간이다. 거슬러되돌아간그시점, 물질도존재하지않고빛도존재하지않는순간이우리의근원이라는말이다. 우주론은그래서고대로부터과학이전에철학일수밖에없었다. 해답이없을것같은우주론에대한대답은수학과물리학, 그리고관측천문학을도구로꾸준히답을구할수있었으며이러한도구의사용을통해대폭발이론을검증을통해확인이가능한비교적확실한지식수준으로드러낼수있을만큼되었다.

45 2. 수학과물리학의세계로보는우주론의차이 우주론에관한논쟁은프톨레마이오스의천동설과코페르니쿠스의지동설로부터시작된다. 프톨레마이오스는기하학의원을이용하여우주론을설명하기시작한다. 구형인지구는우주의중심에있으며해와달과모든행성은지구를중심으로원궤도를따라운동하고있으며그원궤도에서주전원 (epicycle) 이라는더작은원궤도를그리며운동함으로인해행성의순행과역행까지설득력있게기술할수있었다. 또한이모형으로우주의크기가지구의 2만배이상크기라는값을계산해냈는데이렇게단순한수학적논리성이바로천동설이무려 1600여년동안사람들의마음을사로잡을수있는이유였다. 나중에갈릴레이는스스로개선하여만든망원경을통한관측을통해기하학적으로는그럴듯하지만과학적으로는억지스러운프톨레마이오스의천동설이틀리며코페르니쿠스의지동설이옳다는것을실증할수있었다. 갈릴레이의관측을통해그이후시기의우주에대한접근은보다완벽한수학적방정식과그해를입증할수있는보다정밀한기구를통한관측자료에대한공인이아니면인정받을수없게되었다.

46 3. 대폭발이론의탄생배경 대폭발이론의최초의주창자는조지가모프였고 1차세계대전이막바지에이른 1917년수학적식을통해그답을찾아내려애쓴사람은아인쉬타인과당대의유명한수학자드지터였다. 이들은아인쉬타인의일반상대성이론을바탕으로휘어진 4차원공간, 즉리만공간이그안에물질이존재할때시간에따라어떻게진화하는가를살펴본것이다. 공간이시간에따라어떻게변화하느냐는우주방정식의해를구함으로써알수있게되는데이들이만들어낸우주방정식의해는우리가속한우주의 4차원적진화를보여준다는물리적의미를갖고있다. [ 그림 3-3-1] 우주의팽창 ccern capture from NASA hompage 그러나어렵게구해진해에의하면, 우주가마치살아있는생물처럼 시간이지남에따라커지기도하고수축하기도하는역동적인우주여

47 야했는데이는다른학자들뿐아니라아인쉬타인과드지터도인정하기어려운내용이었다. 그당시에우주론은정적평형상태를보여주는우주론이었기때문에믿을수없는대폭발이론의결과를막기위해 정상우주론 이등장하게되었다. 정상우주론역시팽창과수축을하지만안정적으로일어나는것으로우주가팽창하면서생기는빈공간에서는새로운은하가태어나면서우주의밀도가일정하게유지된다는이론이다. 프레드호일은거기에덧붙여우주가무한하다는가정과함께원래우주는시작도끝도없다는말로서끝없는폭발이나수축우주이론보다는안정적인우주를원하던많은학자들의공감과환영을받았다. 대폭발이론의발표와외면이후러시아의알렉산더프리드만은아인쉬타인과드지터가잘못된방정식으로해를구해잘못된물리적해석을내렸다는편지를보내면서우주방정식자체가여러가지의해를가질수있으며우주는팽창할수있다고주장하였다. 아인쉬타인은그편지를받은 2년후에야겨우자신의실수를인정하였고프리드만은 1922년에대폭발이론의내용을모두포괄한그의논문을발표하였다. 그러나그논문은 7년후벨기에의신부르메트르라는사람이잘알려지지않은학술지에거의같은내용의논문을재발표할때까지학계에서거의거론되지않았고프리드만의학술적업적은현재까지도논외로되어대폭발이론의창시자로르메트르의이름이거론되고있다. 프리드만이대폭발이론을밝힌지 2년후 1924년미국의팔로마산천문대에서일하던미국인허블은멀리있는은하가지구에서멀리떨어져있으면있을수록더빠른속도로멀어져가고있음을발견했다. 그는또한지구로부터은하들이이탈하는속도역시프리드만방정식이주는이론적예견치를그대로따르고있음을확인했다. 이것이바로

48 허블의법칙 ' 으로결국아인쉬타인은 1931 년드지터에게 우주상수 를포기하자고할수밖에없었다. 이로서대폭발이론은세가지물리적결론을가지게되는데첫째, 우주가팽창하고있다면과거에우주의모든물질이한점에모이는시기, 즉우주의탄생시기가있었다는것과둘째는어떠한정보도빛의속도보다빠르게전달될수없다는특수상대성이론적한계를생각하면은하의후퇴속도가빛의속도에다다르는거리, 즉우리가볼수있는한계인우주의 끝 을생각할수있게된다. 마지막으로지금은식어가고있는우주의이곳저곳에한때온도가높았던시절에만들어진열복사선이지금도남아있을수있다는결론이다. 대폭발이론의가장두드러진특징은바로우주의탄생이다. 시작도없고끝도없는우주가아니라현재관측된은하가지구로부터후퇴하는속도를기준으로즉우주의평균팽창율을바탕으로하여계산해약 137억년으로거슬러가면우주창시의순간이나온다. 그러면대폭발이전에대해서는어떻게설명해야할까? 대폭발이전은우리가알고있는시간, 공간, 그리고물릴로기술할수없는상태라고할수있다.

49 4. 대폭발우주의진화과정 우주의모든존재들이그저한점에서시작되어대폭발을일으켜현재와같은모습이되었다고하는우주이론을대폭발이론이라고한다. 대폭발의시점은 137억년전이며이시기로부터 1초의 밖에안되는순간은위에서서술했듯이시간도공간도존재하지않는 아무것도아닌시기 (the state of nothing) 이며이때를 플랑크시간 이라고한다. 미시와거시가구분되지않는시기이며전자기현상인빛도없고질량을지닌입자도형성되지않은시기이다. 그저에너지만존재하는시기이다. 그리고플랑크시간을지나는순간중력이분리된다. 중력은우리가다알듯이뉴튼이수식으로명확하게표현해냈던만유인력의일종이다. 중력만분리되어있고나머지힘들은여전히통합상태이다. 이때부터를대통일장 (GUT) 시대라고한다. 중력의분리는 초에서 초사이에벌어진일이었다. 그다음에 초사이에서 초사이에강한핵력이분리된다. 이때를특히인플레이션우주라고명명하며이때물질과에너지의상호작용은지속된다. 또한쿼크와경입자, 이들의반입자, 보손으로가득찬상태가된다. 이때우주는천조도이상으로뜨거웠으며이정도의온도는 CERN의 LHC가도달할수있는에너지수준이다. 이때고온의빛이쌍생성을통해입자와반입자를만들고무슨이유에서인지입자 ( 물질 ) 가반입자 ( 반물질 ) 보다십억개당하나꼴로더많아지게된

50 다. 결국이시기에우주는물질로채워지게되며만분의일초가되기전까지물질의기본입자인쿼크를만들수있게되는데이시기에우주는쿼크와전자, 빛등으로구성된혼탁한상황으로변하게된다. CERN의 ALICE 에서는이때와같은고온의플라스마쿼크상태를만들기위해중이온충돌실험을하고이때은 (Ag) 이나납 (Pb) 을쓸수가있는데미국에서는주로은을 ALICE에서는납이온을사용한다. 납은알다시피매우무거운원자이다. 여기서전자를떼어내어 1,150TeV까지가속충돌시킴으로써강한상호작용을통해무수한쿼크와글루온이플라즈마상태를이루는쿼크-플라즈마를관찰하는실험이다. 이를 Little bang 실험이라고도한다. [ 그림 3-4-1] LHC 로알아보는빅뱅실험 ccern 이후에 에서 10-6 초사이에전자기력과약한핵력도분리되 는데이때를하드론 (Hadron) 시대라한다. 하드론은무거운입자즉양 성자, 중성자등을의미하는데모든쿼크들이하드론을형성하며이때

51 쿼크스프상태에서는문제없던비대칭 ( 생성시입자들의비율이 1:1 이아닌 ) 이문제가된다. 이후로는광자의에너지가줄어들어더이상쿼크, 반쿼크쌍을만들수없게된다. 쿼크쌍의소멸로생긴광자도에너지가낮아진다. 그러나여전히전자나중성미자같은경입자생성은가능한상태이다. 10억쌍하드론의소멸로 10억개의광자를생성하고단하나의하드론이남아물질 ( 은하, 별, 행성, 인류를구성하는 ) 이된다. 현재우주에서자연스럽게존재하는반입자는여전히발견되지않고있다. 만약비대칭이안일어났다면모든질량을가진입자는생성 1 초이내에소멸하여암흑물질은제외한나머지는모두에너지로변하고우주에는빛 ( 광자 ) 만가득하게되어백색공간과존재를찾을수없는질량을가진상태가되어있을것이다 에서 1초사이에우주는 100억K 이하의온도로차가와지며전자와양전자가쌍소멸로대부분사라지게된다. 이들역시비대칭이작용해 10억개전자쌍중하나의비율로전자가살아남으며 10억개의광자를우주에공급하게된다. 질량이큰중성자는질량이작은양성자로변화하지만질량이작은양성자는우주의온도가내려감으로인해반응할자유전자를찾기어려워서중성자가되기도어려운상태다. 중성자 : 양성자간개수비율이 1: 8( 혹은 1:7) 이되면서개수평형도깨지게된다. 1초에서 3분까지중성자 : 양성자비율이 1:8이되면서 2개의양성자와 2개의중성자가결합해헬륨을만드는반응이끝날때쯤우주에는 14개의수소와 1개의헬륨비율로물질구성이이루어진다. 즉우주탄생태초약 3분 후에우주의물질질량의 75% 는수소이고 25% 는헬

52 륨, 그리고그이상의무서운원소는아직형성되지않은상태가되는데이때아주극소량의리튬, 보론등이존재하고있었다. 초기우주의수소와헬륨의질량비에대해서는 1946년조지가모프가처음으로주장하였는데간접적관측을통해가장오래된별들이주로 76~77% 의수소와 23~24% 의헬륨, 0% 의다른원소로되어있음을확인할수있다. 그렇다면그외의다른원소들은언제어디에서생겼을까? 이문제는대폭발이론을앞장서서비판하던프레드호일에의해별의생성과진화과정에서만들어진다는것이밝혀지게된다. 따라서빅뱅이후처음 3분동안의핵융합은대폭발이론을우주탄생의강력한이론적증거로확신할수있게받아들여지게하는중요한부분이되고있다. 이때로부터 50만년동안우주는물질입자 ( 수소원자핵, 헬륨원자핵, 전자 ) 들이광자와상호작용하느라먼거리까지이동할수없던암흑시기로불투명한상태이며전자는광자들과부딪히면서광자와원자핵들사이를떠돌아다니고있었다. 50만년이후우주온도가 3000K 이하로냉각되면서전자의자유가박탈당하고원자핵에붙잡히면서원자를형성하게되는데이때수소원자와헬륨원자의비율은약 9:1에해당된다. 광자들은자유로운이동이가능하게돼서비로소물질로부터해방된빛이날아가기시작했으며이빛이우리에게붙잡힌것이바로우주배경복사이다.

53 5. 3K 우주배경복사의관찰방법 우주탄생초기물질로부터해방된광자는 1964년 Bell에근무하던펜지아스와윌슨에의해우연히발견된다. 이들은인공위성과지상교신국사이의송수신상태를점검하는과정에서출처를알수없는전파노이즈를발견하고그걸없애려고갖은노력을다했는데그전파잡음은바로근처의프린스턴대학학자들이수년간찾아내려고그렇게애썼던우주배경복사였던것이다. 이로써오랫동안사람들의외면을받던대폭발이론은사람들에게우주의탄생과진화를설득력있게주장할수있는강력한이론으로재탄생할수있었는데팽창하면냉각되고수축하면온도가올라가는공기의단열변화를상기하면쉽게이해할수있을것이다. 고온의우주가대폭발이후팽창하면서온도가차츰내려갈것이고관측가능한가장먼곳으로부터오는복사파가곧우주생성초기광자가이동하면서방출하는복사파일것이라는것은초기부터예견되었던내용이었으나온도가너무낮아관측이불가능할것이라는부정적인시각이지배적이었던것이다. 이우주배경복사를발견한공로로펜지아스와윌슨은 1978년공학자로서는드물게노벨물리학상을받게되었다. 우주배경복사는 1989 년지구상공 900Km 궤도를돌던 COBE 탐사선으로흑체복사곡선을측정하여절대온도 2.7K의온도를가지고있으며불균일한밀도로분포하고있음을발견하였고 2001년부터는 WMAP 탐사선에의해지구로부터 150만Km 떨어진위치에서측정하여온도의불균일밀도가십만분의일의비율로드러나고있으며우주배경복사의보다정확한관

54 측을통해우주의나이를 137 억년으로측정하게되었다. [ 그림 3-5-1] 우주배경복사 ccern 우주배경복사는우리도쉽게찾아볼수있는데관찰하는방법은이렇다. 먼저 TV 수상기를켠다음기존방송이없는채널스위치를선택한다음화면의명암대비를조절하는콘트라스트스위치를돌려화면을약간어둡게하면화면에간혹반짝거리는신호를볼수있다. 이신호중 10% 는바로우주배경복사선에서오는것이다. 이들은우리가살고있는우주곳곳을가득메우고있는열전자파이므로우주어느곳으로 TV수상기를옮긴다하여도이렇게반짝거리는우주배경복사신호를없앨수는없다.

55 6. 대폭발이론이남긴과제 우리가사는우주가영원히팽창할것이냐아니면최후의대수축을통해소멸과정을겪을것이냐에대한의문은프리드만의팽창우주방정식의해를통해살펴볼수있다. 현대물리학에서는전자를 열린우주 후자를 닫힌우주 라고부른다. 재미있는것은현재공간에존재하고있는물질의양을측정함으로써우리우주의궁극적인진화모습을알아낼수있다는점이다. 즉물질의양이어느기준치이하이면우주는영원히팽창할것이고그이상일경우에는우주는궁극에어느한점으로수축소멸해버린다는것인데현재로서는관측자료가풍부하지않으므로정확한해답을모르고있는실정이다. 단지기존의관측과계측을통해찾아낸물질의양에따르면우주는영원히팽창을계속할것으로계산되고있는데 80년대이후현대우주론의혁명을일으킨인플레이션우주 ( 초팽창이론 ) 이론에따르면우리우주는열린우주와닫힌우주의정확한경계점, 즉편평한우주라는결론으로접근하고있다. 이인플레이션우주는대폭발이후 초에서 초사이에우주가한쪽축으로 배이상급격한부피팽창 ( 배 ) 을보여주는시기를말하는데인플레이션우주이론이맞다면대폭발이론의모든문제들 ( 예를들면편평도 ) 을모두해결할수있게된다. 편평한우주에서는우주밀도는임계밀도가되는데실제관측되는물질의밀도는장소에따라불균일하게나타나고있으며그총량도임계밀도의 4% 에지나지않는다. 이러한물질의불균일 ( 물질의요동 ) 은대폭발이론의난

56 제중의하나인데최근에극적으로해결되었다. 물질의요동즉물질이밀집되어은하와같은거대구조가생겨날수있는 씨앗 이언제어떻게생겨났으며또한어떻게현재의은하나별들로자랄수있었느냐는것이문제였는데인플레이션우주는우주초기밀도가얼마였든현재우주를만드는데필요한밀도로변화시켜줄수있다는점때문에원시입자들을발견못하는것은당연한일이며이로써인플레이션우주는우주탄생미스테리해결의키워드가되었다. 또한코비위성때문에우주의나이가 10만년이었을때현재은하나별들의모체가될수도있는물질요동의작은 씨앗 들이정말로존재한다는사실을알게되었다. 이러한물질밀도불균형에의해중력이작용하고응축하면서은하나별들이만들어졌을것으로생각할수있다. 그러나이때발생하는또다른문제는그렇게해서커가기에는속도가너무느리다는점이다. 우주나이 137억년은초기 10만분의 6 정도의물질요동들이별이나은하로자라기에는너무짧은시간이라는점이다. [ 그림 3-6-1] 우주를구성하고있는물질 ccern 이문제는암흑물질 (dark matter) 의존재로해결할수있다. 암흑물 질의존재는나선은하를관측하던관측천문가들에의해처음제기되

57 었다. 먼은하들의스펙트럼분광측정자료에서은하의나선팔가장자리에위치한별들이비정상적으로빠르게움직이는것을알아냈는데이러한빠른속도의움직임은은하의내부에눈에보이지는않지만분명히존재하는암흑물질에의해서만해석이가능한현상이다. 이러한암흑물질은이렇게작은질량을가진은하가이렇게짧은시간동안어떻게현재와같은구조로진화할수있었느냐는질문에대한아주명확한답이되기때문에천체물리학자들에게는대단히중요한정보가아닐수없다. 눈에보이지는않지만분명히존재하는암흑물질의질량을더하게되면현재의밀도값으로계산이불가능한중력응축이가능하고 137억년의짧은시간안에현재와같은우주의구조와생성물의존재를가능하게하기때문이다. 암흑물질의존재는하나의의문을풀었지만존재자체에대한또다른의문을자가생산했다. 도대체이암흑물질이어떻게언제생겨났으며무엇으로이루어졌으며과연얼마나우주에존재하느냐는것이다. 현재까지역학적효과를사용해발견한암흑물질의양은바리온 ( 측정가능한질량을가진입자 ) 의 6배정도인데이는아직도인플레이션우주가요구하는편평한우주를만들기에는역부족이다. 또한이부족한질량으로는우리우주가지속적으로팽창하는가속팽창상태가되어야한다. 우주팽창이나타나려면우리가알수없는암흑에너지가더존재해야하며측정가능한물질의양 4% 와예측되는암흑물질의양 ( 바리온의 6배이므로 24%) 을더해도 30% 가채못되는계산을해결하려면암흑에너지가임계밀도의 72% 만큼필요하게된다. 다시말해서알수없는정체의암흑물질과암흑에너지가있어야하

58 고우리가존재하는우주의역사를제대로스토리텔링할수있으며편평우주가우주역사의완결판이될수있다. 더불어이편평우주는끝없는팽창을계속해야하는문제가대두되는데이문제를해결하기위해서는우주상수로다시되돌아가야한다. 아인쉬타인은일반상대성이론이후상대론적우주론을 1917년에발표하였고에너지의양이우주공간의구조를결정하고공간구조에따라시간의흐름이결정되며우주의에너지양이우주의운명을결정한다는내용을발표하였다. 앞에서이미말했듯이우주가안정된상태일것이라고믿고싶었던아인쉬타인은우주가중력수축하지않게하기위해중력에반하는미지의에너지가존재할것이라고가정하고그값을결정하는우주상수 Λ를억지로도입하였는데이를두고아인쉬타인이일생일대의실수라고후회하였었다. 또프리드만은우주상수를과감히버림으로써정적우주론에서탈출해역동적인팽창우주론을주장하였는데프리드만의팽창우주이론은후에우주배경복사가관측됨으로써정론이되었고아인쉬타인과드지터의우주상수는현대물리학에서잊혀질수밖에없었던것을기억해보자. 그러나현재중력에반하는미지의에너지를암흑에너지라고하면편평한우주를위해서는암흑에너지가존재해야하고그러면아인쉬타인이버렸던우주상수는다시현대물리학의무대에나서지않을수없게되었다. 양자역학에서는불확정성원리에의해관측불가능한짧은시간동안 진공 안에서입자와반입자가쌍생성, 쌍소멸을반복하게되고따라서진공도에너지를가질수있게된다. 만약이것이사실이라면우주공간도에너지에기여하게된다는점인데중력에반하는작용이 0보다작다면예측되는관측값이측정된우주물질의 4% 와암

59 흑물질 24% 를뺀약 72% 가필요하게되며이론적으로는사실상그보다훨씬큰값이나온다. 그리고그존재도흔적도가까운우주에서는관측이안되고있다. 대폭발이론의패러다임은세가지풀리지않은숙제를기반으로성립하고있는데이는인플레이션우주, 암흑물질, 암흑에너지의존재이다. 또남겨진이슈들은암흑물질은대체무엇인가? 암흑에너지는그저우리가믿고싶어하는방정식을풀기위한이론적해법인가? 아니면실제로존재하는것인가? 인플레이션우주는과연대폭발우주론의진정한구원자인가? 우주대폭발 (Big bang) 외에다른답은없는가? 과연다른우주는존재하는가?... 우주론의진화는과연인류에게궁극적인우주의본성에도달하는것을허락할것인지아직은알수없다. 그러나인류의탐구는여전히가속중이고 CERN과연대한전세계의과학자들의끊임없는연구결과를통해우주의역사에접근해갈것이다. 때로는침묵속에서천천히, 때로는역동적으로빠르게 우리는누구이며무엇이며어디서왔고어디로가는가? 에대한답을구하며. [ 참고문헌 ] 라대일, 대폭발과우주의탄생이강영, 과학향기, KISTI, 이석영, 모든사람들을위한빅뱅우주론강의, 사이언스북스, 2009

60 제 4 장입자검출기 노희진, 김상협, 김명하, 정희숙, 신명석, 윤석오, 황상연, 신동선 1. 방사선의검출 2. 검출기의원리 3. CMS(Compact Muon Solenoid) 4. ALICE(A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC)

61 1. 방사선의검출 1. 방사선 2011년 3월 11일일본에서발생한규모 9.0 지진의영향으로방사선에대한막연한공포가확산되고있는실정이다. 그간우리주변에는없었던방사선이라는것이이번사태로우리의생활공간안에갑자기나타나우리인체에해를끼치는것이아닌가하여생긴공포일것이다. 그러나방사선은그양이문제일뿐, 자체가새로운것은아니다. 방사선을직접볼수있는장치가안개상자다. 만약안개상자를통해우리일상에존재하는방사선을직접본다면, 아마놀랄것이다. 세상은원자로이루어져있다. 원자는양성자, 중성자, 전자의개수에따라질량과성질을달리하는다양한원소들로나누어진다. 예를들어, 수소는양성자 1개, 전자 1개로이루어져있고, 헬륨은양성자 2개, 중성자 2개, 전자 2개로이루어진원자이다. 그러면, 우리가잘알고있는방사성원소인우라늄은어떨까? 천연우라늄은질량수 ( 양성자와중성자수를합친수 ) 가 234, 235, 238 등 3종이있다. 그중우라늄235는양성자 92개, 중성자 143개로이루어진상대적으로무거운원자이다. 그런데우라늄235는좀더안정한상태의원자가되기위해양성자 2 개, 중성자 2개를내놓으면서 ( 알파붕괴 ) 토륨231 원자로바뀐다. 이때나온양성자 2 개, 중성자 2개를알파선 ( 헬륨원자핵에해당 ) 이라고한다. 또, 프로탁티늄235는전자 1 개를내놓으면서 ( 베타붕괴 ) 우라늄 235가된다. 이때나온전자를베타선이라고한다. 이에반해, 알파붕괴, 베타붕괴와달리알파입자나전자의변동없이에너지만잃는과정

62 이있는데이것을감마붕괴라고한다. 이때나오는방사선을감마선이라고한다. 이와같이자연에는불안정한상태에있는원자가입자나에너지를내놓으면서안정한상태의원자로변환되는과정이지속적으로이루어지고있다. 우리는항상눈에보이지는않는방사선에노출되어있다. 방사선은공기중에도있고, 땅속에도있지만, 우리몸안에도있다. 어떤방사선은우주에서날아오고, 어떤방사선은지구가생길때함께태어난원소에서나온다. 그러나두려워할필요는없다. 자연에서방출되는방사선은양이적어위험하지않기때문이다. 공기중에는기체의성질을가진라돈에서방출되는방사선들이떠도는데, 라돈은알파선을내고폴로늄이라는원소로변한다. 우주에서는별, 은하, 초신성등에서생긴고에너지입자들이지구로날아온다. 이를우주선 (cosmic rays) 이라고한다. 이런우주선들은대기층상부에서질소원자나산소원자와충돌하여새로운방사선을만들어내는데, 이방사선들은주로지상에도달한다. 이것이 2차우주방사선이다. 또, 호흡이나음식물섭취를통해자연방사선이우리의몸속으로들어가게되는데, 먹는음식속에들어있는칼륨원소중에는방사선을내는것도있지만, 그양이적어서인체에해를끼치는정도는아니다. 또, 우리주변에있는바위나흙에는라듐, 우라늄, 토륨같은원소들이방사선을내고있지만, 이또한인체에해를끼치는정도는아니기때문에안전하다.

63 2. 안개상자 1) 윌슨의안개상자 (Wilson cloud chamber) : 각종방사선이나대전입자의궤적을보기위해만든장치. 1911년영국의물리학자인윌슨 (1927년노벨물리학상수상 ) 이고안하였다. 포화증기상태에알파입자, 베타입자, 감마선, X선과같은방사선이나대전입자를통과시키면생기는안개를통해그궤적을눈으로볼수있게한것이다. 위쪽은유리로밀폐되어있고아래쪽에는피스톤으로구성되어있다. [ 그림 4-1-1] 윌슨안개상자구조도 이유리상자안에수증기나알코올의혼합기체를넣고피스톤을아래로내리면단열팽창이일어나과포화상태가된다. 이상태에방사선이나대전입자를보내면기체분자가이온화되어수증기가응축하면서궤적을따라안개가생긴다. 이안개를관찰하여방사선이나대전입자의궤적을알수있는것이다. 안개상자에전자기장을걸어주면양전하와음전하는반대로휘어지므로입자의전하, 질량및운동량을알수있다.

64 안개는공기중의수증기가먼지따위의미립자를핵으로해서생기는데, 스코틀랜드의물리학자인윌슨은미립자가없어도이온만있으면이것을핵으로안개가생기는것을발견하였다. 피스톤을움직여수증기나알코올증기로포화된공기를급팽창시켜온도를내린다. 이때공기는먼지등의미립자를제거하였기때문에응결하지못하고과포화상태가된다. 이때방사선이통과하면공기분자는이온화되어이이온을핵으로하여응결되므로안개가생긴다. 이안개에강한빛을쪼여주면방사선이지나간경로를육안으로도살필수있다. 2) 확산안개상자알렉산더랭돌프 (Alexander Langsdorf) 가 1936 년에개발한입자검출기로알파선 ( 헬륨-He의핵입자선 ), 감마선, 우주선 ( 우주로부터들어오는입자선 ) 등에의해상자안에서생긴응결된알콜증기의자취를검출하는장치이다. 이장치는 1911년윌슨 (C.T.R Wilson) 이개발한안개상자를개량한형태이다. 확산안개상자는수증기를사용하는안개상자와달리알콜증기를사용한다. 알콜을상자위쪽에위치해서증발시키고확산시킨다. 상자아래쪽에는드라이아이스를위치해놓아증발된뒤확산된알콜을과냉각상태로만든다. 과냉각된알콜이담긴확산안개상자에알파선, 감마선, 우주선등한개의입자에너지가충분히큰입사선을통과시키면확산안개상자안에있는기체분자내원자와상호작용을일으키며이결과분자가전자를내놓아양전기를띤이온이된다. 이이온들은응축핵역할을하며과냉각된주변알콜증기를상자안에입사된입자의궤도를따라응축시키게한다. 이렇게만들어진궤도의형태를보면서입사된입자를구별한다.

65 확산안개상자에자기장을걸게되면전하를띤입자의경우로렌츠힘에의해원형궤도를그리며회전하게되어원형으로응축된자취가남게된다. 휘어진모양이나정도로입자의종류나속도를알수있다. 예를들어전하종류가다른즉한입자는 (-), 다른입자는 (+) 로하전되었다면, 이두입자는회전방향이반대로나타나게된다. 핵반응실험에서알파입자 ( 헬륨핵 ) 가통과하게되면굵은직선이생기며, 전자의경우는가는선이편향된형태로입자를구별하였다. 우주선연구등에도많이사용된장치였으나수명이짧고정밀한측정엔적합치않아점차과학교육용으로사용하게되었다. [ 참고문헌 ] 네이버캐스트-오늘의과학 : 안개상자 Naver 지식백과 과학용어사전, 두산백과, Basic 고교생을위한물리용어사전

66 2. 검출기의원리 LHC는 27km의둘레를따라곳곳에양성자 ( 또는중이온 ) 가충돌하는지점이있다. 충돌지점에는커다란입자검출기가설치되어양성자가정면충돌한결과를카메라로사진을찍듯이기록해낸다. 그래서검출기는우리의눈과도같다. LHC에는 ATRAS, CMS, ALICE, LHCb 총 4개의검출기가설치되었다. 그중에서 ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus) 와 CMS(Compact Muon Solenoid) 가다목적의대규모검출기이다. ATLAS 는길이가 46m, 높이 25m 에무게는 7 천톤이다. CMS는 ATLAS 보다약간작지만무게는두배가까이더무겁다. 물론 ATLAS는지금까지만든입자검출기중에서가장크다. ATLAS는초당 320MB, CMS 는초당 220MB의실험데이터를만들어낸다. 실로엄청난양이다. [ 그림 4-2-1] LHC 4 개의검출기 ccern LHC 같은충돌기에서또하나중요한요소는충돌하는빔의밝기

67 (luminosity) 이다. 간단히말해서빔의밝기는매초마다가로세로 1cm의넓이를지나가는양성자의수로나타낼수있는데, LHC의빔밝기는 (1조의 1조의 100억배 ) 로서사상최대다. 하지만양성자가너무작기때문에양성자끼리충돌할확률또한매우작다. LHC의실험을비유하자면얼추다음과같다. 지름이 1광년 (=10조km) 인거대한원판에다대고다트게임을한다고생각해보자. LHC라는선수는지금이원판에초당 개의다트를던지고있다. 그러나과학자들이원하는목표지점은이거대한원판에서겨우지름이 1cm 혹은그이하인원에불과하다. 사실 LHC 이전에는힘 (= 에너지 ) 이약해서다트를원판에꽂힐만큼세게던지지도못했다. LHC에이르러서야이제겨우확실히원판에다트가꽂힐만큼의에너지 ( 양성자질량의 1만 4 천배 ) 를갖게되었다. 게다가 LHC는손놀림도무척빨라초당던질수있는다트의개수도많아졌다. 낮은확률을높은시행횟수로커버하는셈이다. 실제로어떤일이벌어지는횟수는그일이일어날확률과시행횟수의곱으로주어진다. 예컨대로또당첨확률 ( 약 840만분의 1) 은매우낮지만, 매주로또 1등당첨자가나오는것은시행횟수가충분히크기때문이다. LHC는이게임에서산술적으로약 100초에한번꼴로지름 1cm의목표물을맞힐수있다. 이게임을 1년 ( 약 3천만초 ) 간계속하면 30만번정도는원하는결과를얻게된다. 이정도면성공적이다. 실제과학자들은입자물리학의새장을열어줄신의입자 ( 힉스입자 ) 나초대칭 (supersymmetry) 입자를운이좋다면연간수천내지수만개정도발견할것으로기대하고있다.

68 [ 그림 4-2-2] cms 검출기의충돌장면시물레이션 ccern [ 참고문헌 ] 이종필 ( 고등과학원물리학부 ), 이강영, LHC 현대물리학의최전선, 사이언스북스, 2009

69 3. CMS (Compact Muon Solenoid) 1. CERN과 LHC CERN(European Organization for Nuclear Research) 은제2차세계대전이후유럽과학자의미국으로의두뇌유출을막고유럽과학자가단합하여세계최고의기초물리학연구를할수있도록유럽 12개국이모여 1954년스위스제네바근교에세워진유럽입자물리연구소이다. 1957년입자와핵물리실험을위한 600MeV 싱크로사이클론 SC가속기를건설한이후, 양성자싱크로트론 PS, 1971 년 20GeV 의양성자싱크로트론 PS가속기, 1976년에원주 7Km의 300 GeV 초양성자싱크로트론 SPS 가속기, 1989년도에원주 27km의 100 GeV 거대전자-양전자충돌 LEP 가속기를건설하였다 년도에는원주 27km 의 7TeV 양성자-양성자및납핵-납핵충돌의거대강입자충돌 LHC 가속기를완성하였다. [ 그림 4-3-1] 하늘에서본 LHC

70 LHC 가속기는스위스제네바근교의스위스와프랑스국경지하 50~175 m에건설된원주의길이가 27 km인거대강입자충돌입자물리가속기이다. LHC 가속기는 7 TeV 양성자나납핵을빔으로사용하여양성자-양성자충돌, 납핵-납핵충돌이가능한강입자충돌가속기이다. LHC 가속기에서는그림 1과같이두개의큰실험 ATLAS 실험과 CMS 실험, 두개의중간크기의실험 ALICE 실험과 LHCb 실험그리고두개의작은크기의실험 LHCf 실험과 TOTEM 실험등모두여섯개의실험을수행한다. 이중두개의큰실험인 ATLAS 와 CMS가 LHC가속기를건설한주된이유이며강입자충돌에의해생성된다수의입자들을분석하여가능한모든입자물리연구를하기위해설계하였다. 이두실험의연구내용은힉스입자, 초대칭입자, 여분차원, 미니블렉홀, RS (Randall-Sundrum) 중력자, 암흑물질등새로운입자탐색과쿼크-글루온플라즈마상태의연구와같은당양한영역의입자물리학이다. 그중 ATLAS와 CMS는같은실험을동시에하는이유는서로다른곳에서같은실험을동시에진행하며독립적으로결과를만들어내어새로운발견의신빙성을높이기위한것이다. 최근 2012년 7월 4일유럽핵입자연구소에서 새로운입자 가발견되었다는소식이전해졌다. 그러나 CERN 의공식적인논평을에서 새로운보존 의발견은맞지만아직힉스입자라고단정지을수없는상황이라는결론이전달되었다. 앞으로더많은데이터를분석하여새로운보존이힉스입자인지아닌지를밝혀내었으면한다.

71 2. CMS는무엇을검출하는가? CMS/LHC 실험은표준모형 (Standard Model) 과초대칭이론 (Supersymmetry model) 에서현재입자물리학의최대과제인힉스보존과초대칭입자를탐색하는것을목표로하고있다. 표준모형에의하면힉스입자의질량이두개의보존질량의합인 180 부근을제외하고넓은에너지범위에서힉스입자를탐색할수있을것으로예상된다. 그리고힉스입자가붕괴할때다양한붕괴방식이예상되고있는데, 많은붕괴방식에서최종적으로안정된입자인뮤온을생성한다. CMS 검출기는바로이뮤온입자를효과적으로검출하기위해설계된검출기이다. [ 그림 4-3-2] LEP 의실험결과힉스입자의질량에대한함수

72 3. CMS 검출기검출기는아주커다란디지털카메라라고상상할수있다. 그러나다른점이있다면, 디지털카메라는손에들수있을만큼작게만드는반면, 입자검출기는보통 5~6층의건물만큼크게제작된다는것이다. 그리고디지털카메라는빛을감지하는 CCD라는센서를통해서제작되지만, 입자검출기는빛뿐만아니라여러다양한입자들이직접센서에남긴신호를모아저장하는장치이다. 마지막으로검출기에장치된셔터는촬영된사건의내용을빠르게컴퓨터로분석하여이를추가분석을위해저장할지아니면버릴지를판단하는자동셔터를가지고있다는점이다. 이를보통실험물리학자들은트리거 ( 방아쇠 ) 라고부른다. 보통한개의충돌사건으로부터생성된입자들이만든궤적들을모아논 CMS 이벤트데이터파일의싸이즈는대략 3MB(Mega Byte) 정도이다. CMS 검출기의단면은반지름이 7.3m이고거대한 12각형의모양을하고있다. 양성자빔이충돌하는중심부터빔파이프를지나, 3개층으로구성된실리콘픽셀들을지나갈때생기는전류를검출함으로써, 입자와센서와의충돌위치를알수있고, 이를보통 hit이라부른다. 여러층에남겨진 hit들을연결하면, 입자가지나간궤적을재구성할수있게된다. 한편궤적을남긴하전입자는 4개의큰자기장안에서움직이게되므로, 그휘어지는방향과곡률을알게되면, 그입자의전하와운동량을결정할수있게된다.

73 [ 그림 4-3-3] CMS 의구조 [ 그림 4-3-4] CMS 의단면 실리콘궤적검출기다음으로는전자기열량계와하드론열량계가있는데, 전자기열량계는광자와전자같은입자가와같이투명의신칠레이팅소재를만나발생시킨형광빛을 APD라불리는광증배다이오드를통해검출함으로써, 그입자들의총에너지를알수있는검출기이다. 한편하전파이온과케이온, 양성자와같은입자들은전자기열량계

74 와는잘반응하지않아, 구리와신틸레이터가샌드위치형태로구성된하드론검출기를통해그에너지를측정하게된다. 끝으로뮤온은쉽게하드론검출기마저도빠져나가, 초전도솔레노이드자석밖에설치되어있는뮤온챔버에남긴 hit을관측함으로써, 뮤온의존재를확인할수있게된다. 앞에서도언급한바있지만, 이렇게복잡한검출기도중성미자의검출에는속수무책이다. 이는중성미자가전자기상호작용과강한핵상호작용을하지않아실제로대부분검출기에아무런흔적도남기지않고유유히빠져나가우주밖으로사라지기때문이다. [ 그림 4-3-5] CMS 의전개도 [ 그림 4-3-6] CMS 에서검출되는입자의궤적

75 4. CMS에서의힉스입자탐색결과 7월 4일에발표한결과는 CMS가 2011년에수집한데이터와 2012 년 6월 18일까지수집한양성자-양성자충돌데이터를분석한것이다. 2011년도데이터는 7 TeV 의질량중심에너지이고, 2012년도데이터는 8 TeV 이다. 그리고힉스입자의탐색을위해 CMS는 5개의주요채널을분석했다. 이중 3개의채널은, ZZ 또는 WW 등보존입자의쌍으로붕괴한것이고, 나머지 2개의채널은 bold bb 또는페르미온입자쌍으로붕괴한것이다. 125GeV 영역의힉스입자탐색에있어, ZZ 및 WW 채널들은서로비슷한정도의효율을가지고있고, bold bb와채널들보다는더높은효율을보인다. [ 그림 4-3-7] 질량중심 8TeV 양성자 - 양성자충돌 ( 두개의광자로붕괴되는힉스보존 ) [ 그림 4-3-8] 질량중심 8TeV 양성자 - 양성자충돌 ( 두개의 Z 보존으로붕괴되는힉스보존 )

76 γγ와 ZZ 채널은힉스입자의정밀한질량측정이가능한중요한분석채널이다. 채널의질량은 CMS 크리스탈전자기열량계 (ECAL) 에그림 6의 ( 가 ) 와같이나타나는두개의광자의에너지와방향을측정함으로써얻을수있다. ZZ 채널의경우에는각각의 Z 입자가두개의전자쌍또는두개의뮤온쌍으로붕괴하거나, 한개의전자쌍과다른한개의뮤온쌍으로붕괴하는 3가지경우를모두분석하였다. 그림 6 의 ( 나 ) 에서볼수있는바와같이이들경입자들은내부트랙검출기와 ECAL 또는뮤온검출기의신호를통해검출된다. 5. CMS의모습 1) CMS 외부및내부모습 CMS의외부모습은거대한공장같다. 이곳을들어서엘리베이터를타고지하로내려가면거대한기기장치와컴퓨터들이놓여있으며각층마다보안시설이되어있어일반인은들어갈수없다. [ 그림 4-3-9] CMS 의내부구조 CMS 건물내부, 거대한 CMS 내부구조그림이걸려있다. 그림아래 양성자빔라인이지나가는형광색으로칠해진가이드선이있다. 이곳

77 은연수를받으러온다양한사람들이기념으로사진을찍을수있게 만들어놓은곳이다. 2) CMS 실험기기모형와컴퓨터제어실 CMS 검출기안에들어있는디텍터모형이다. 이러한모형이거대한검출기에들어있는데아쉽게도현재실험이진행중이여서디텍터의세부모습까지는들어가서볼수없었다. 그래서이렇게모형을보는것으로아쉬움을달래었다. CMS의검출기마다연결된컴퓨터와검출된데이터들을통 제하는컴퓨터들의모습이보인 [ 그림 ] CMS 컴퓨터제어실 다. 이곳에서많은연구원들이 매일많은데이터를분석을한다. 충돌이일어날때에는위험하여사람 이없다. [ 참고문헌 ] 최영일, 물리학과첨단기술 (5월), 2008년. 이세경, 박성근, 물리학과첨단기술 (5월), 2008년. 박인규, 물리학과첨단기술 (11월), 2012년

78 4. ALICE (A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC) 1. ALICE란? 물질의기본이무엇인가 라는질문에대해 모든물질은원자로구성되어있다. 는것을밝힌것이물리학의가장큰업적중의하나라고 R. H. Feynman 이말했다. 하지만현대물리학은자연계의기본적인구성요소와그들사이의상호작용에관한궁금증에대해서우리는아직만족스러운대답을가진적이없다. 원자는원자핵과전자로구성되어있으며원자핵은다시중성자와양성자로구성되어있는것이밝혀졌다. 그리고중성자와양성자는좀더기본적인입자인쿼크와글루온의결합으로형성된것이현재까지실험으로증명되었다. 그러나렙톤과쿼크, 게이지보존인광자, W, Z, 글루온들사이의게이지대칭성에기초하여기본상호작용을묘사하는표준모형이현재완전하지않은상태이다. 그러므로기본적인상호작용을이해하기위해아직더많은실험을해야한다. [ 그림 4-4-1] 원자, 핵, 핵자그리고쿼크 ccern

79 LHC실험의하나인 ALICE(A Large Ion Collider Experiment at CERN LHC) 는자연계의네가지힘 ( 중력, 전자기력, 약한상호작용, 강한상호작용 ) 가운데, 강한상호작용의연구에중점을둔다. 그러므로 ALICE 실험에서는높은에너지밀도에의하여물질의새로운형태인 QGP(quark-gluon plasma) 가생성되는것을확인하는것이다. 이러한상황은태초의대폭발이후초기우주의진화단계에서강한상호작용의상전이온도를우주가경험하므로, 실험실에서이러한상황을재현하는것은이단계의우주진화를이해하는데매우도움이된다. * 쿼크-글루온플라즈마 (QGP : quark-gluon plasma) 란? [ 그림 4-4-2] 는강한상호작용이미치는계의온도변화와핵자 ( 중성자, 양성자 ) 밀도변화에따라이계가보여주리라예상되는다양한상태를여러가지이론적근거에따라나타낸그림이다. 그림에따르면초기우주상태는핵자밀도가거의 0이고온도가높은상태였을것이다. 만약무거운핵을아주높은에너지에서충돌시키면쿼크-글루온플라즈마상태를생성시킬수있을것이다. ALICE에서는중이온 ( 납원자핵 ) 을가속시켜충돌시켰을때쿼크와쿼크사이의간격이순간적으로줄어들어강력을약하게만들어양성자와중성자를구성하고있는쿼크와글루온이양성자와중성자의속박에서벗어나자유롭게떠돌아다니는물질의새로운상태인쿼크와글루온플라즈마상태를순간적으로형성하게만드는실험이다.

80 [ 그림 4-4-2] 강한상호작용과관련되어예측되는다양한상태 ccern 이 QGP 상태에대해이해하게되면강한상호작용의영향을받는물질의성질과물질속에존재하는쿼크와강한상호작용의글루온의구속현상, 물질을구성하는요소들의질량의기원에대해이해할수있다. 2. ALICE의실험장치 ALICE는 A Large Ion Collider Experiment 를줄여서만든이름으로 CERN의 LHC에서일어난충돌사건들을연구하는주요실험들중하나이다. ALICE에서는양성자 (Proton) 또는납 (Pb) 과같이무거운원자의핵들이높은에너지로가속되어충돌할때생성되는많은수의강입자 (hardron), 전자 (electron), 뮤온 (muon), 광자 (photon) 등의입자들을검출하여이들의운동량또는에너지를측정하고, 입자의종류를분석을가장완벽한방법으로측정할수있도록설계되었다. 이것은시공간이진화되어온것을복원하고연구하기위한것이다. 이를

81 수행하기위하여많은검출기 (detector) 들이사용되었고, 각각의검출기들이부분부분의정보들을과학자들에게제공한다. 이러한복잡한시스템을이해하려면, 각기다른관점과다른장치에서동시에현상을관찰하는것이필요하다. 가. ALICE 검출기 CERN에서가동중인 ALICE 검출기는대형강입자가속기로부터발생하는매우높은밀도의입자들을검출하기위해제작된검출기이다. ALICE는높은밀도의입자들의비행을검출하여궤적을구성하게되는데 ALICE의외곽에는낮은자기장이형성되어있어서 hit 정보들을재구성하게되면전하를가진입자의경우곡선의궤적을형성하게된다. 이러한궤적정보들을가지고궤적의최종입자를정의하게된다. 따라서크게궤적을측정하는장치와입자판별하는장치로나눌수있다. ALICE 검출기의궤적측정장치는내부궤적장치 (ITS) 와시간투영상자 (TPC) 가있다. 내부궤적장치는전하를가진입자들이장치내부를지날때발생하는전자들을표류시켜궤적을재구성한다. 내부궤적장치를통과한입자가시간투영상자를지나면그안에기체분자를이온화하여궤적을따라전자들이생성된다. 이때발생한전자들이검출기에도달하는시간을측정하면전자의표류방향을알수있다. 이것으로전자의위치를찾아입자가지나간삼차원경로도재구성할수있다. 이재구성된궤적이자기장안에서휜정도를측정하면입자의운동량을측정할수있다. 측정된운동량과전자들의양 ( 시간투영상자에서측정된전자들의양 ) 으로부터입자의종류에관한정보도얻을수

82 있다. [ 그림 4-4-3] ALICE 검출장치의구조도. 왼쪽에는중앙검출기, 오른쪽에는뮤온분 광기가놓여있다. ccern 궤적측정장치에서측정한입자의운동량과입자판별장치인비행시간검출기 (TOF) 가측정한입자의속도로입자의질량을계산해입자의종류를알아낸다. 시간투영상자 (TPC) 를통과하면서입자의에너지가감소하지만높은운동량을가진입자들은고운동량입자확인장치 (HMPID) 에서검출하게된다. 위의그림4는 ALICE 검출기의전체구조이다. 이중입자를정의하는데가장중요한내부궤적장치, 시간투영상자, 전이방사검출기 (TRD), 비행시간검출기, 고운동량입자확인장치검출기에대해설명하고자한다. [ 그림 4-4-4] 납이온충돌과충돌후변화 ccern

83 1) Inner Tracking System(ITS) 내부궤적장치는비상대론적인영역에서입자를판별하기위한검출기이다. 내부궤적장치는매우낮은운동량입자 (100MeV/c) 들을정확히측정할수있다. ITS는 6개의원통형층들로구성된실리콘검출기이다. 이원통형의 6개층들은각각충돌중심으로부터반지름이 r = 4, 7, 15, 24, 39 그리고 44cm 의거리에설치되어있다. ITS 설치의주요목적은트랙을찾는것과트랙의 impact-parameter 를결정하기위한것인데측정값의분해능을높이기위해서충돌중심과가장가까운거리에 6개의층으로나누어설치되었다. ITS 의최외각반지름은 TPC(Time- Projection Chamber) 에서구성된트랙과 ITS에서구성된트랙을일치시키기위해서사용되는필수적인요소라고할수있다. 그리고안쪽반지름의길이는빔파이프 (3cm) 가들어갈공간이다. 첫번째층은 FMD(Forward Multiplicity Detector) 와함께좀더확장된 rapidity 범위에서하전입자들의다형성을측정한다. 매우높은입자들의밀도와어느수준이상의 impact-parameter 분해능을가능하게하기위해서최내각에 2개의층이사용되고이어서 SDD(Silicon Drift Detector) 가 2개의층을구성한다. 그리고바깥쪽 2개의층에서는입자의밀도가당 1 개이하정도되는데이곳에는 double-sided silicon micro-strip detector가설치되어있다. 안쪽 2개의 pixel plane 을제외하고나머지모든층들은비상대론 (non-relativistic) 영역에서입자를정의하기위해아날로그신호를판독하게된다. 2) Time-Projection Chamber(TPC)- 시간투영상자

84 TPC(Time-Projection Chamber) 는주로입자들의운동량을측정하여트랙을구별하는능력이뛰어난검출기이다. 그리고트랙들의 vertex를결정하는데중요한역할을한다. 검출가능한 pseudorapidity 영역은인영역으로 ITS 와같은영역을검출한다. 검출할수있는운동량영역은 100GeV/c 값까지가능하다. [ 그림 4-4-5] ( 가 ) TPC 에의하여재구성된우주선입자들의궤적 ( 나 ) 납이온충돌시생성되는 입자의궤적 3) Transition-Radiation Detector(TRD)-전이방사검출기 TRD는 barrel 영역에서 1GeV/c 이상의운동량을가지는전자들을찾아낸다. 그리고멀리까지도달하는 pion 들을검출하여 pion 의생성량을측정한다. 전자를검출하는이유는이를포함하고있는 vectormeson resonances 들과 dilepton들의생성량을측정하기위한것이다. 그리고전자트랙의 impact-parameter와 ITS 에서의측정값들을결합하여 1GeV/c 이상의운동량을가지는 charm과 beauty 쿼크의량을측정하는데사용된다. TRD는매우빠르게트랙을찾아내기때문에높은 Pt의전자를감지하는데효과적인 trigger로사용될수있다.

85 4) Time-Of-Flight(TOF)-비행시간검출기비행시간검출기 (TOF, Time Of Flight detector) 는입자가한점에서다른점으로이동한시간을측정하여입자의속도를알아내는장치이다. 궤적측정장치로측정된입자의운동량을속도로나누면입자의질량을구할수있으므로입자의종류를알아낼수있다. 빔입자들의충돌지점즉 ALICE 검출장치의중심에서약 4m 떨어진위치에원통형으로설치된이대형검출기는입자의도달시각을 50피코초의정확도로잴수있도록설계되었다. 비행시간검출기가둘러싼전체면적은 150제곱미터인데, 이를 2.5 cm 3.5 cm 크기의전극 16만개로나누어입자의도달위치를구분한다. 넓은면적에서입자의비행시간을측정하기위해서다중간극저항판검출기 (Multigap Resistive Plate Chamber, MRPC) 기술이사용되었다. 얇은유리판들사이에가는선을사용하여약 200미크론정도의작은간극 10개를만들고, 그간극안에기체 ( 프레온 134a, SF6) 를채우고강한전기장 (100 kv/cm) 을걸어준다. 검출기에도달한입자가간극을지나면서기체를이온화하여전자들이생성되면강한전기장에의해전자들이이동하면서다른전자들을생성하여수가늘어나측정가능한전기신호를전극에유도한다. 이검출기는서로다른간극들에서움직이는전자들이동일한전극에신호를유도하도록설계되어정규분포에가까운신호크기분포를나타낸다. 5) HMPID (High - Momentum Particle Identification Detector) - 고운동량입자확인장치

86 HMPID는 1GeV/c 운동량을가지는 hadron들을검출하는데사용되는검출기이다. 검출영역은 ALICE 실험실의 barrel영역의 5% 정도에해당되는데 TPC 를통과하면서발생한에너지감소에도불구하고 HMPID까지도달한높은운동량의입자들을검출하게된다. HMPID 는두입자를구별하는데상당한기여를하게되는데 pi/k, K/p 입자들을구별하기에유용하다. 3. ALICE의모습가. ALICE 위치 CERN에서가동중인 ALICE 검출기는대형강입자가속기로부터발생하는매우높은밀도의입자들을검출하기위해제작된검출기이다. ALICE는아름다운전원마을옆에위치하고있다. LHC와관련되어프랑스쪽에설치된거대실험기기중하나이다. 프랑스의 St Genis-Pouilly에위치하고있다. [ 그림 4-4-6] ALICE 건물외벽

87 나. ALICE 외부모습 ALICE가있는건물의경계안으로들어와서본풍경이다. 오른쪽건물이 ALICE로통하는곳이다. ALICE로통하는건물의입구로건물내부에는크레인과컴퓨터제어실이있으며, 지하에실제실험기구가위치하고있다. 다. ALICE 내부모습 -ALICE 건물내부, 중심부분에크레인이보인다. -오른쪽건물은전체과정을제어하는컴퓨터실이다. -실험설비는지하에위치하고있다. [ 그림 4-4-7] ALICE 내부모형 라. ALICE 실험기기모형 - 지하에위치하고있으며출입이엄격히통제된다. -CMS 와는달리아쉽게도지하에위치한실제실험기기에는접근

88 할수없었다. 마. ALICE 모니터링촬영당시빔의상태가좋지않아소멸시킨상태여서한가한모습이었다. 좌측하단에 beams gone..' 이란문구가있다. 상단에는작업이중지되었음을뜻하는내용들이나와있다. 컴퓨터제어실근무는순번제로돌아간다고한다. 이번경우는별다른문제없이빔상태가안좋아중단시킨것으로, 다시빔이만들어지기까지여러시간 이걸린다고한다. 이번작업자 [ 그림 4-4-8] ALICE 컴퓨터제어실모니터장면 들은비교적운이좋은경우이며, 가장운이나쁜경우는한밤중에실험기기자체에문제가발생했을경우라고한다. 이때책임자는신중히판단해서수리전문가를호출할지말지를결정해야한다고한다. 사람에따라서는자주한밤중에이들을호출하는바람에원망을듣는경우도있다고한다. 마치증권회사처럼보이는모니터배치는매우복잡하지만, 이들이맡고있는작업은다른것에비해비교적수월한편이라고했다. 바. ALICE 지하내부모습 ALICE 지하내부는작업자가자전거로타고이동할수있는통로가있으며, 작업자는반드시방사능측정도구를지참하고있어야한다. 일정수준이상이될경우작업자는즉시대피해야하며, 위험가능성

89 때문에지하에관계자이외의출입은엄격히통제되고있다. 사. ALICE 관련부품들 ALICE 감지부분의실린더를감싸는물질은비닐처럼질기지만금속의일종이다. 방문자가원한다면전시된금속띠일부분을가져가는것도가능하다. [ 참고문헌 ] Yves Schutz, Draft Korean Teachers Programme 2012(Alice_ppt), 김세용, 황대성, 물리학과첨단기술 (5월), 김도원, 이성철, 물리학과첨단기술 (5월), 신기량, 이강석, 이수형, 물리학과첨단기술 (1, 2월 ), 강주환, 심광숙, 유인권, 물리학과첨단기술 (1, 2월 ), 2010.

90 제 5 장입자가속기 황문규, 이소정 1. 입자가속기원리 2. 빅뱅과입자가속기 3. CERN 에서의입자가속기들

91 1. 입자가속기원리 입자가속기란전자나양성자또는원자핵같은입자들을빠른빔으로만드는기계이다. 이빔을이용하여원자핵에대한연구, 방사성을이용한산업및의료에이용하고있으며, 초대형가속기들은기본소립자들에대한연구에도이용하고있다. 러더퍼드는 1911년방사성토륨을넣은납상자의작은구멍에서빔의형태로방출되는알파선을금원자에쏘는실험으로원자내부에있는크기는작고질량밀도가매우큰원자핵을발견하였다. 이후로더작은물질 ( 원자핵 ) 의내부구조를알기위해서더빠른입자빔이필요하게되었고입자가속기의개발이이루어졌다. 가속기의규모는가속된입자의속도가아닌운동에너지로표시한다. 왜냐하면가속된입자의속도가빛의속도에근접하면아무리가속시켜도속도가거의증가하지않고에너지만증가하기때문이다. 사용하는에너지의단위는 ev( 전자볼트-electron volt) 인데전자와같은전하량 (e) 을갖는입자가 1V 의전압으로가속될때얻는에너지를의미한다. 가속되는입자의질량은매우작기때문에입자의운동에너지를속력으로환산하면매우빠른데, 이온한개를 1V 의전압으로만가속하여도그속력이수천km /s가된다. 입자의운동에너지가증가하면입자의속력은점점빛의속력에근접하지만넘지는못한다.

92 [ 그림 5-1-1] 양성자의속력에따른운동에너지 ( 특수상대론 ) ccern 가속기는가속된입자의빔자체를직접사용하기도하지만다른표적에충돌시켜나오는 2차빔을사용하기도한다. 또한전자가광속에가까운속력으로굽은경로를지날때나오는강한복사선이방출되므로이를이용하기도한다. 가속기의구성은가속할입자의공급기, 가속관과가속에필요한전기장과자기장공급장치로나누어진다. 입자공급기에서전자는열전자방출에의해공급하며, 이온들은낮은압력의관속기체에서전기적방전으로만든다. 입자들이가속되는부분은진공도를높여서입자가공기분자와충돌하지않고진행하도록하며가속시키기위해서전기장공급부와빔의방향조절을위한자기장공급장치가위치한다. 물질의구조및상호작용을분석하는목적으로설계된가속기의경우에는가속된빔을충돌시키는지점에충돌후입자나 2차생성입자의산란방향과에너지, 질량등을추적할수있는검출기가설치된다.

93 가속기는모양에따라일직선으로가속시키는선형가속기와원을따라가속시키는원형가속기로분류할수있으며, 기술적인방법에따라우주선이나자연방사선을이용하는천연가속기, 두전극사이에고전압을가하여가속시키는정전형가속기, 교류를이용하여가속시키는가속기로구분할수있다. [ 그림 5-1-2] 비더래 (Rolph Wideroe) 의교류가속기 (1928) ccern 가속기의발달은진공방전관에서음극선이하전입자임을보인조셉톰슨 (1897) 으로전기장을가하여전자를가속시키고자기장을이용하여음극선의방향을휘게한것이었다. 이후 1895년윌리암콘레드뢴트겐에의해 X선발생장치가세상에선보이게되었으며, 1930년에는반데그라프를이용하여 1.5MV 의고전압을공급하게되었다. 그러나반데그라프식정전압가속기는크기와높은전압에따른방전의문제가있었다. 1932년어니스트로렌스는전기장을반복적으로가하는방식의사이클로트론을개발하였다. 사이클로트론은 D 자형태의두진공판에수직으로자기장을가하여대전입자가원운동하면서두판사이에교류를가하여가속시키는방식이다. 매우획기적인방식으로지름이 27센치미터인사이클로트론으로 100MeV의출력을얻을수있었다. 입자의속력이점차빛의속도와비교될정도로증가하면서상대론적효과로입자의질량이증가하게되면서가속된입자의회전을위해

94 서자기장의세기를변화시킬수있는싱크로사이클로트론이개발되었다. 그후큰곡률로설치된관을따라좁은영역의자기장만으로입자의방향을제어하는싱크로트론으로발전하였다. 싱크로트론은가속관을따라서처음에는느리게회전하던입자를점점빠르게가속시키는장치이다. 싱크로트론은원형의관을따라회전하는입자가가속영역을지날때에가속되며다른영역에서는자기장에의해곡선운동을하며큰원을따라회전하게된다.

95 2. 빅뱅과입자가속기 물질이란무엇인가 라는질문과우주란무엇인가라는질문은자연에대한가장근본적이고궁극적인물음이다. 하나는물질의가장기본을생각하는것이고, 다른하나는세상전체에대해이해하려는것이다. 우주를연구해온사람들은우리우주가약 137억년전에탄생해서팽창하며진화해왔음을알게되었다. 물질의구조를탐구해온사람들은물질을이루는원자가원자핵과전자로이루어져있음을확인했고, 원자핵을이루는더근본적인입자인쿼크의존재를파악하고상호작용하는방식을이해했다. 우주는처음에빅뱅이라고불리는아주작고뜨거운상태였기때문에, 우주의시작을논하기위해서는기본입자들의물리학을이용해야한다는것을알게되었다. 20세기를거치면서두질문은서로만난것이다. [ 그림 5-2-1] 초기빅뱅을재현하여힉스입자탐색 ccern 힉스입자 ( 힉스 boson) 는 137 억년전무한대의에너지로우주대폭 발 ( 빅뱅 ) 때잠시만들어졌다가금방사라져버렸다. 힉스입자처럼질 량이워낙큰입자들은순식간에다른입자로붕괴되는데표준모형이

96 론에따르면그렇다. 힉스입자를찾기위해서우주초기상태와비슷한환경을가속기로만들면힉스입자가만들어질것이라고추정하고있다. 표준모형에서는힉스장은물질의기본입자 12 개, 힘매개입자네종류의입자들에게질량을부여하고있다. 실제우리주변의물질속에는 17개종류의입자중 u쿼크 d쿼크 전자등세가지기본입자만들어있다. 이를제외한표준모형상의세가지중성미자는우주를떠돌아다니고있으며, 나머지입자들은우주나가속기안에서만잠시만들어졌다가사라진다. 과학자들은우주빅뱅과같은거대한에너지로힉스장에충격을가하면힉스장이요동치면서힉스입자가만들어져튀어나올것으로추정하고있다. 이는영국의에든버러대이론물리학자였던피터힉스 (Peter 힉스 ) 가 1964년우주를설명하는이론을만들면서세운힉스가설이다. CERN은강입자가속기로힉스입자가만들어질수있는빅뱅환경을초미니로만들고있다. 빛의속도에가깝게가속된양성자끼리정면충돌할때거대한에너지가나오게하는방법을사용한다. 신의입자를인류의힘으로재창조하려는것이다. 강입자가속기안에서빛의속도에가깝게가속된양성자는 1초에 6억번정도충돌한다. 그럴때마다초미니빅뱅환경이만들어지고, 기본입자등온갖입자가생성된다. 이때힉스입자가생성된다면빅뱅때그랬듯이곧바로다른입자로붕괴되면서사라진다. 과학자들은힉스입자가어떤입자로붕괴될지서너가지의시나리오를이론적으로계산해놨다. 예를들어힉스입자가힘을매개하는한쌍의 Z보존 입자를거쳐 4개의뮤온입자로붕괴했다면이런형상을갖는붕괴흔적을검출기 ( 집채만한디지털카메라를연상하면된다 ) 에서찾으면된다. 이경우고양이수염처럼잔털이무수히많은가운데굵은긴수염네개 ( 뮤온의흔적 ) 가선

97 으로나타난다. 검출기에는양성자끼리충돌때만들어진수많은입자 의움직임이선으로그대로기록되기때문이다.

98 3. CERN 에서의입자가속기들 [ 그림 5-3-1] CERN 의입자가속기구조 ccern 1. 양성자싱크로트론 PS 양성자싱크로트론 (Proton Synchrotron, PS) 은 CERN에서가장오래된가속기로처음으로양성자를가속한것은 1959년 12월 24일이다. ( 최초의가속기는 1957 년의싱크로사이클로트론으로 1990 년까지작동되었다.) 그당시빔의에너지는 28GeV 로세계에서가장높은출력을자랑하는가속기였다. PS는기술적으로볼때최초로수직방향과수평방향으로자기장의세기를변화시켜빔을조절하여빔을강하게집중시켜빔의안정성을증가시킬뿐만아니라자기장의세기를더높일수있어서출력이높은

99 가속기를만들수있는발판을마련했다. 오늘날대부분가속기는이런기술을사용하는데이러한기술을 강한집중 또는 교대-경사 (Alternating-Gradient, AG) 라고한다. PS는 1959년처음가동한이후꾸준히성능을개량하면서 CERN의다양한입자물리학분야를연구하기위해빔을가속하여직접프로그램을수행하거나, 또는가속된빔을다른가속기에투입하는용도로활용되고있다. 현재 PS 는주로 1970년대 CERN에새로운가속기 SPS 에빔을공급하는초기가속기용도로사용하고있다. SPS(Super Proton Syncrotron) 는 PS에서받은빔을더욱가속시켜 LHC에공급하는역할을하고있다. 1976년에가동된 SPS는양성자와반양성자를가속시켜충돌시키는실험을수행하였고 1983년에는약작용을매개하는입자 Z입자및 W입자를발견하였다는논문을발표하였다. LHC 이전에가동되던가속기 LEP(Large Electron Positron Collider, 대형전자양전자충돌기 ) 는 1989 년에가동되어 2000년까지사용되었는데터널의둘레가 27km 로최대이다. LEP 에는전자양전자충돌지점에 ALEPH, DELPHI, L3 와 OPAL 네개의검출기가설치되어운영되었고, 이후 LEP가설치된터널을재사용하여 LHC가설치되어현재에이르고있다. LHC(Large Hadron Collider) 는양성자또는중이온을가속및충돌시키는목적으로운영되고있으며, 네곳의충돌지점에는 ATLAS, ALICE, CMS 와 LHCb 검출기가설치되어있다. LHC 는 SPS 로부터 450GeV 로가속된양성자빔을받아서 7TeV까지가속시켜충돌시키는역할을한다.

100 2. Linac 선형가속기 Linac 은전기장을이용하여이온입자를가속하는선형 가속기이다. 1) Linac1은 1958년에첫빔을가속했고, 1959년에 50 MeV 양성자들을 PS 에공급함으로서정상적인가동을시작하게되었다. 그후 Linac2가 1978년에가동될때까지 CERN에있는가속기에양성자들만을공급하는역할을했다. 또한 Linac 1은 1992년여름마지막작동을멈출때까지 33년간수많은실험을지원하기위해양성자를지속적으로공급하는역할뿐만아니라, 알파입자, 듀테론 ( 중양성자 ), 산화이온과황이온들을가속하는데성공적으로이용되었다. 초기에산화이온과황이온들을가속하는데는여러가지어려움과실패도있었지만, 두개의인젝터를통해공급하는방법으로해결하기도했다. 2) Linac2는 1978년 9월 6일에처음으로 175mA 50MeV 의양성자빔을얻었다. 한달후 10월 6 일부터는 PSB 에빔을주입하여연구에사용되었으며, 현재는사용자가원하는양성자의수에따라 20Hz에서 150Hz 까지다양한빔을만들어 PSB에공급한다. 3) 이온소스들은 Duoplasmaton 에의해빔의전류는 300mA 까지올라간다. 원래 pre-injector( 전차총 ) 는 750 kv 코크로프트월턴장치였으나, 지금은 92kV 전압이들어와서 750kV 로출력되는 4-vane RFQ로대체되었다. 이온linac에서는일부이용되는 80m 의빔을

101 1.4GeV 로가속하여 PSB 에보낸다. 원래기존 linac2 는 150mA 빔을 방출하도록설계된기계였다. 그러나 LHC 에빔을공급할필요성때문 에 180mA 까지끌어올리도록성능을향상시켰다. 4) Linac3 (4.2 MeV/u 의중이온Linac), 1994년여름에임무를받은 Linac3는현재납이온빔을제공한다. afterglow 모드에서작동되어지는 14.5 GHz ECR ion 소스는 2.5 kev/u 에서 Pb 27+ 빔을방출한다. 53+ 이온은 PS 부스터와다른원형기계에옮겨지기전에자기필터안에서선택된다. Linac3는프랑스, 이탈리아, 독일, 스웨덴, 스위스, 인도, 체코, CERN을포함한국제적인협력으로건설되었다. 5) 처음에의도한바는 SPS 안에서이루어지는 170 GeV/u 에해당하는실험이었지만, 52+ 와 55+ 납빔은냉각실험을하기위해주기적으로 LEAR/LEIR 안으로주입하는용도로사용되었다 년에 37+ 의인듐빔으로만든인듐 21+ 의빔은 SPS로주입하여가속하는데사용되었다. 1995년에는 2500시간의가동을하기로예정되었으나이온작동문제로인해 1996년의테스트빔을이용할때만쓰였다. 6) 2007년에 Linac2는 Linac4로교체하기로결정이되었다. 새로운 Linac4의선형가속기는 160MeV H- 이온빔을제공할것이며, 처음에는 PSB 의인젝터로사용하다앞으로는고에너지와높은듀티사이클 (duty cycle) 의 SPL(Superconducting Proton Linac) 이되어그역할을할것이다. Linac4는 PSB를대체할첫번째 SPL(Superconducting

102 Proton Linac) 로설계되었다. 차후 SPL은증축이가능한건물에설치된다. 그리고만약물리프로그램의필요성이요구될때에는고출력 SPL을얻기위해더높은듀티사이클 (duty cycle) 로업그레이드될수있다. 70미터의길이의이동라인은현재의 Linac2에서 PSB 라인으로연결한다. 3. LEAR(Low Energy Antiproton Ring) LEAR(Low Energy Antiproton Ring), 그것은고리의자기장을빠져나오고계속해서검출시스템에직선으로나간다. 1996년링이해체되기 1년전에이탈리아와독일물리학자팀은처음으로반물질인반수소를관측했으며, 지금은 AD에서연구중이다. 반수소를만들기위해서는반양성자와양전자가필요하다. 미리만들어진반양성자빔은 LEAR의저장링에서순환하는동안가속된후크세논 (xenon) 가스의제트들과 1초에 300만번충돌하도록했다. 이둘의충돌에너지로인해양성자, 반양성자와함께가끔전자-양전자쌍이생성되었다. 같은방향으로날아가던양전자와반양성자가합쳐져서반수소원자를생성했다. LEIR은 LHC의이온인젝터체인중심부위이다. 즉 LHC에유용한 200μs 길이의 Linac3 펄스를짧고, 고밀도다발로변환하여제공한다. 기본적인 LEIR의기능은아래에그림처럼기하학적 LEIR 고리와이동라인, 전형적인 LEIR 싸이클도안 ( 스케치 ) 으로잘설명할수있다. 바로처음의싸이클시작에서, 기계는빔을받아들일수있는상태에도달한다. 그다음에 (USER 의시작다음에 265 ms에서시작한다.) 누

103 적과정은반복적으로일어난다. Linac3 펄스는 LEIR로 100m 길이의이동라인을경유하여수송된다. ETL 이라고불리는라인의한부분은양방향성이다즉이것은 LEIR에서 PS까지반대방향으로빔을전송하기위하여빔을전후로전송할때쓰인다. 처음 LHC 이온은작은다발들의도움을받아 early scheme 이라고불리워지것으로 LHC 안에서일어난다. (LHC 이온작동과마찬가지로하나의다발마다같은강도로 ) 이렇게하여광도를낮춘다. LEIR는 2.4s 동안지속되는한기계싸이클이내에이루어짐을의미한다. 하나의 LHC 이온다발의강도 ( Pb54+ 이온이 LEIR 에서추출된다 ) 는특별한 USER( 하나의인젝션에그다음의쿨링은충분하다 ) 에게제공된다. 하나의 Linac3 펄스는대략 70번을 LEIR에서회전한후 50% 의효율로주입되어질수있다. 진공실에충돌하는모든이온은많은가스분자를발생시킨다. (1개의표준스테인레스진공챔버에대해 10000분자당 1개의이온을잃어버린다.) 진공의저하는이온이진공실에충돌하는원인이되고, 더나아가빔의수명을줄이고, 진공을빠르게떨어뜨린다. Pb 54+ 순환하는빔의이온은남은가스분자들의상호작용에대해매우큰횡단면을가지고있고충전상태를변화시킨다. 가장비슷한과정은가스분자로부터전자를얻는것이다. Pb53+ 의결과로초래된낮은빔강도로진공실을친다. 얼마동안가스분자를방출시킨후에는 scrubbing effect 에의해표면이깨끗해지고또다른분자들이방출되지않는다.

104 [ 참고자료 ] 1. 이강영, LHC, 현대물리학의최전선, 사이언스북스 (2011) 2. 이강영, 물리학과첨단기술 (Nov. 2012) 3. 박인규, 가속기속 초미니빅뱅, 힉스찾는다. 중앙일보 ( ) 년한국과학교사, 아시아최초 CERN 연수를가다!, 교육과학기술부 (2011) 5. Mariusz Sapinski, Introduction to accelerators for teachers (Korean program) (August 9th, 2012)

105 제 6 장그리드컴퓨팅 (Grid Computing) 김태익, 김용순 1. 정의와개념 2. 그리드컴퓨팅의발전과정 3. 그리드컴퓨팅을위한표준화 4. CERN과그리드컴퓨팅

106 1. 정의와개념 CERN에서는엄청난양의데이터가각종검출기에서쏟아져나온다. 슈퍼컴퓨터라면가능할까? 슈퍼컴퓨터를대충조합하여필요한곳에맞추고이를모두모아조금더용량이크고처리속도가빠른또다른슈퍼컴퓨터를이용하여방대한양의데이터를처리할수있을것이다. 그런데 CERN 의컴퓨터센터에서는생각보다작은컴퓨터들과여러개의칩이조합된판넬이어른키높이만큼의구조물에촘촘히꽂혀조그만불빛을반짝거리며냉각팬이윙윙거리며돌고있었다. 무슨물류창고같다. 그리드컴퓨팅이란원거리통신망 (WAN, Wide Area Network) 으로연결된서로다른기종의컴퓨터들을묶어서고성능컴퓨터를구성하여복잡한계산과큰용량의데이터를처리하는컴퓨터기술이다. 그리드컴퓨팅은대용량데이터의연산을소규모단위로쪼개어여러대의컴퓨터로분산시켜연산을수행한다는점에서클러스터컴퓨팅의확장된개념으로볼수있으며 WAN 상에서서로다른기종의기계들을연결하므로클러스터컴퓨팅에서는고려되지않았던여러가지표준규약들이필요하다. 따라서그리드컴퓨팅에서는기종별호환가능한표준들이정립되어사용되고있다. 그리드컴퓨팅은모든컴퓨팅기기를하나의초고속네트워크로연결하므로컴퓨터의계산능력을극대화시키는차세대디지털신경망서비스로발전하였다. 한마디로표현하면 슈퍼컴퓨터를더이상만들필요가없다. 결국 그리드컴퓨팅이란전세계의모든컴퓨터를하나로묶어서단한대의컴퓨터처럼쓰는기술 이라고말할수있다. 그리고컴퓨터를통

107 합하기위해서는서로간에잘통할수있는조작이필요하고일사불란 하게주고받을수있는통신기술도필요하다. [ 그림 6-1-1] CERN 그리드컴퓨팅 그리드컴퓨팅기술은이미우리주변에널려있었다. 이제그리드컴퓨팅은이론적으로는전세계의모든컴퓨터와주변기기를하나로묶어서필요한작업을공동으로수행할수있으며광통신을통하여초고속네트워크로연결할수있게되었다. 더나아가프로세서 ( 중앙처리장치, CPU) 에유휴자원 ( 사용되지않는능력 ) 이발생할경우이를한데모아특정작업에집중함으로써작업속도를무한정향상시키는기술도개발되어활용되고있다. 또한현재우리주변에서도온라인비디오나최신가요를인터넷을통해시청하고콘텐츠서비스와네트워크게

108 임에손쉽게접근할수있는것도그리드컴퓨팅기술의발전덕분이라고생각된다. 그리고이제는여행할목적지의지진발생확률정보나기상예측정보를인터넷에연결된계측기들로부터직접얻을수있게되었다. 이는컴퓨터, 전자천체망원경, 전자지진계측기, 전자온도계, PDA, 핸드폰뿐만이아니라아파트상가앞의커피자동판매기, 지하철요금지불기, 현금지급기, 가정내의 TV, 오디오, 게임기등지리적으로분산된모든컴퓨터류, 비컴퓨터류의기계장치들이그리드관련기술에의해자연스럽게인터넷에연결되기때문에가능한것이다. 한편동시에네트워크에연결된개인은인터넷상의모든콘텐츠, 컴퓨팅파워, 측정데이터를공유하고협업하여이를공동으로활용하는것이가능해진다. 그리드컴퓨팅은 ' 네것도내것, 내것도네것 ' 이라는개념아래탄생한기술로초기에는기상예측이나고에너지물리학, 유전공학, 지진연구등슈퍼컴퓨터로도하기어려운방대하고복잡한연구를처리하는데적용되었다. 또한, 주요선진국에서는그리드컴퓨팅을활용한관련연구를게을리하지않고더욱발전시켜가고있다고한다.

109 2. 그리드컴퓨팅의발전과정 그리드컴퓨팅은대부분의컴퓨터에서중앙처리장치가다른처리작업에사용가능한여유자원을남겨둔채, 할당된작업에는평균적으로 25% 의시간밖에사용되지못한다는사실을활용한것이다. 그리드컴퓨팅은초고속인터넷을통해원거리컴퓨터를연결하여엄청난양의데이터를주고받게되면서가능하게되었다. 그리드컴퓨팅에서그리드상의자원을통제하고할당하려면, 글로버스얼라이언스나개인제공자가제공하는공개소스소프트웨어같은소프트웨어프로그램이필요하다. 클라이언트소프트웨어는서버의응용프로그램과통신한다. 이런서버소프트웨어는데이터와응용프로그램코드를일정단위로분할한뒤, 분할된코드를그리드상의컴퓨터에배분한다. 클라이언트컴퓨터는뒤편에서그리드응용프로그램을실행시키면서기존에수행했던유형의작업도수행할수있다. 그리드컴퓨팅을사용하는비즈니스는비용절감, 계산속도증가, 민첩성등의효과를보여준다. 그리드컴퓨팅은네트워크에연결되어있으나사용되지않고있는자원들 ( 예를들면, 데스크톱컴퓨터의 CPU, 디스크저장장치등 ) 을활용하여대규모연산이필요한문제들을해결할수있게해준다. 이는재정모델링 (financial modeling) 부터단백질접힘 (protein folding), 지진시뮬레이션 (earthquake simulation), 기후변화모델링 (climate, weather modeling) 과같은자연과학문제에이르기까지매우복잡한연산이필요한과제를해결할수있는컴퓨팅자원을제공해준다.

110 그리드는기능면에서다음과같이분류될수있다. 1 컴퓨팅그리드 Computational Grid : 복잡한연산을수행하기위해 CPU 를제어하는것 2 데이터그리드 Data Grid : 대용량의분산데이터를공유하고관리하는것. 3 액세스그리드 Access Grid : 지리적으로떨어진곳에있는사용자들간에오디오와비디오를사용하여업무협력을가능하게하는것. 4 장비그리드 Equipment Grid : 비컴퓨터류의주요장비를원격조정하며이로부터얻은데이터를분석하는것 대중에게잘알려진그리드컴퓨팅의예로는, 수천명의사람들이자신의 PC에서사용되지않는프로세서사이클을공유함으로써, 외계로부터의가치있는신호조짐들을광범위하게검색하고있는 SETI 프로젝트가있다. 그리드컴퓨팅을하기위해서는하나의프로그램을수천대의컴퓨터에작은조각으로나누어일을시킬수있도록해주는소프트웨어가필요하다. 그리드컴퓨팅은대규모분산클러스터컴퓨팅및네트웍상에분산된병렬처리의한형태라고생각할수도있다. 그리드컴퓨팅은한기업내에있는컴퓨터워크스테이션들의네트웍으로한정될수도있지만, 개인컴퓨터들이참여하는대중협업으로도확장될수있다. 많은수의기업, 전문가집단, 대학컨소시엄등에서그리드컴퓨팅사업을위한기본구조와소프트웨어를이미개발하였거나개발중에있다. 유럽연합 (EU) 은고에너지물리학, 지구관측그리고생물학연구등을위한그리드컴퓨팅사업을후원하고있다. 미국에서는 " 국립기술그리드 " 주관으로산업기반시설을위한계산그리드와사람들을위한접근그리드에관한시범작업이진행중이

111 다. 그리고그리드컴퓨팅은 1 주어진량의컴퓨터자원을비용편익측면에서가장효율적으로만들수있는능력 2 엄청난량의컴퓨팅능력없이는풀기어려운문제들을해결할수있는하나의방편 3 많은수의컴퓨터들을하나의공동목표를위한상승적인협동작업으로이용하고관리할수있다는점때문에일반적인추세가될가망성이있어보인다. 오늘날그리드컴퓨팅은단순히유휴 PC의 CPU 자원을공유하는것뿐만아니라각종데이터와스토리지자원, 나아가서는인적자원이나지식자원까지도공유하는형태로발전하고있다.

112 3. 그리드컴퓨팅을위한표준화 그리드는컴퓨터에특정프로그램을설치해세계곳곳의컴퓨터, 데이터베이스, 첨단장비를연결해마치가상의슈퍼컴퓨터처럼쓰자는개념에서출발했다. 그리드기술과가상화기술을사용하여클라우드컴퓨팅이라고불리는가상의기술로도발전하였고그리드는분산컴퓨팅을위한새로운개방형표준이되었다. 현재그리드표준화는 OGF (Open Grid Forum, 에서주도적으로진행하고 있는데 OGF 는 2006 년 6 월에는 Global Grid Forum(GGF) 과 Enterprise Grid Alliance(EGA) 의통합으로만들어진국제그리드기술표준화단체이다. 시카고에본부를둔 OGF 는전세계 50여개국의 400여개조직을대표하는그리드사용자, 연구자, 개발자, 솔루션제공자들로구성된커뮤니티이다. OGF 는그리드기술혁신및그리드소프트웨어의상호운용성을제공하는국제표준을개발하기위해 open forum으로운영함으로써그리드기술의채택을가속화시키는일을하고있다. OGF 는분산컴퓨팅전문가그리고개발자들에게그리드의핵심기술, 표준에대한동향및성공사례들을공유하기위하여 Open Forum을매년 3회씩개최하고있다. OGF 참가자들은 OGF 정기회의를통하여분산컴퓨팅제품과서비스들그리고 OGF 기술과표준을이용한성공적인프로젝트의사례를배우게된다. 국내에서는한국과학기술정보연구원 ( 이하 KISTI) 에서국가그리드사업과연계하여그리드포럼코리아 (GFK: Grid Forum Korea) 를운영하면서 OGF 에회원사로 2002년부터참여하고있다. OGF 가그리

113 드산업화기구인 EGA와 2006년에통합하여 OGF 로재출범하는국제동향에발맞추어국내그리드포럼인 GFK도 OGF-KR로 2007년도에재조직하여운영하고있다. 또한 OGF-KR은 2007년부터 OGF 가국제그리드표준기술의보급및확산을위하여기개발한국제표준기술들이실제로지역국가별로채택이될때지역적으로필요한로컬표준화기술을지원하기위해창출된 OGF Regionalization Program의멤버로활동하고있다. OGF (Regional Affiliate) 프로그램은전세계여러국가에서운영되고있는그리드관련단체와의긴밀한협력을통해서글로벌표준기술개발및채택을촉진하기위해만들어진프로그램으로, 한국의그리드포럼코리아 (Grid Forum Korea) 는 OGF 분회프로그램에일본의그리드컨소시엄, 그리드포럼네덜란드, 이스라엘그리드기술연합회, 그리드포럼싱가폴과함께창립회원으로참여하여활동하고있다.

114 4. CERN 과그리드컴퓨팅 1. 입자검출기사진분석과컴퓨터의등장 1960년대까지입자관측에서가장중요한검출기는거품상자였다. 거품상자에입자가들어오면설치된카메라로여러차례촬영하여아래와같은사진을얻는다. 이사진은분석실로옮겨져훈련받은사람들이자와각도기를들고사진에나온궤적의길이, 곡률등을측정한다. 처음에는물리학자가이런작업을직접하기도하였으나분석해야할사진의양이많아짐에따라따로사람을고용하였다 년도에브룩헤이븐팀은오메가입자를찾는실험에서그림과같은사진을약 10만장정도분석하였다고알려져있다. 사진이분석되면얻어진데이터로부터물리학자들은입자의전하, 운동량, 질량등을정하고물리현상을재구성하였다. 이후검출기는자동화되고컴퓨터를이용한분석이일반화되었다. 현대의가속기실험은컴퓨터없이진행할수없다. 데이터의양이워낙방대해옛날방법으로기록하거나분석하는것이불가능하다. 특히, 오늘날관찰하는입자에는수명이극히짧은것들이많다. 그래서수마이크로미터범위에서복잡한현상을일으키고붕괴하므로매우정교한검출기가필수적이며검출기에서나온데이터를빨리처리하기위해서강력한계산능력을갖는컴퓨터가중요하다. LHC 프로젝트가본격적으로시작되면서컴퓨터의계산능력은차원이다른문제가되었다. LHC에서는각검출기에서양성자빔뭉치가 1초당 2500만번충돌한다. 빔뭉치가한번충돌할때양성자-양성자충돌은약 35회일어나므로 1초에 8억회이상의양성자-양성자충돌이

115 일어나는것이다. 양성자가충돌하면수백개의입자가튀어나와검출기속으로들어가며각각의입자들은검출기속에지나간흔적과에너지를남긴다. 검출기에남은입자의흔적은전기적신호로바뀌어기록된다. [ 그림 6-4-1] 그리드컴퓨팅의적용분야 한번의충돌을기록하는데 2메가바이트의용량이필요하고 LHC가대략 1년에 10개월가동한다면회의충돌하게된다. 따라서데이터총량은 40 조기가바이트 (=400억테라바이트 ) 이다. 이정도의데이터를 10만원정도하는 1 테라바이트하드디스크에저장한다면 400 억개의하드디스크가필요하다. 전지구자원을끌어모아 400억개의하드디스크를만든다는것은불가능에가까운일이된다. 이런막대한데이터는다기록할수없으므로처음부터기록할만한의미있는데이터만을골라내어 (triggering) 기록한다. 이렇게기록되는데이터는전체반응의 0.001% 에불과하지만 ATLAS의경우만해도약 3,000 4,000테라바이트의데이터가산출된다. 여기에이를가공한데이터와몬테카를

116 로시뮬레이션을통해만들어낸데이터를합하면 1년이면약 10페타바이트의데이터가생산된다. 흔히쓰는 CD에생산된데이터를모두담아 CD를한줄로쌓아올리면 CD 한장의두께를 1mm라고했을때 15,000m의 CD탑이만들어질것이다. 데이터의양이이정도가되면저장하는것도문제이지만데이터를가공하면서분석하는것이더심각한문제가된다. 이는연구원들의개인컴퓨터가슈퍼컴퓨터라하더라도데이터처리는불가능하게된다. 이런정도의대규모데이터를다루는방법은그리드컴퓨팅을사용하는것밖에없다. CERN 에서는그리드컴퓨팅개발에도최선을다해왔으며 2002 년 부터는 WLCG(World-wide LHC Computing Grid) 라는이름으로 전세계에걸쳐그리드컴퓨터망을구축해왔다. WLCG 프로젝트는전세계그리드인프라와컴퓨터센터를연결하는글로벌협력으로세계최대의컴퓨팅그리드이다. 매년 CERN에서 LHC에의해생성된 15 페타바이트의데이터를저장, 배포및분석글로벌컴퓨팅자원을제공하기위해전세계수백대의컴퓨터및스토리지시스템을통합하여구축함으로서세계최대의그리드컴퓨팅환경을구축할수있었다. WLCG는실시간으로 LHC 데이터에액세스하고처리하는할수있도록하기위하여 35개국이상, 140개컴퓨팅센터로구성하여전세계 8,000명이상의물리학자들이그들의위치에상관없이함께동시에연구에참여하는것을가능하게했다. 또한 CERN은유럽의그리드인프라를구축하고그운영을위해애플리케이션의광범위한영역검색이가능한 EGEE(Enabling Grids for E-sciencE) 를사용하는범유럽컨소시엄을주도하고있다. 유럽연합에서돈을대고 CERN에서기획하

117 여 2004년 4월부터시작된이프로젝트는과학연구에사용될세계적규모의컴퓨터그리드의기반구조를건설하는것을목적으로하고있다. 그리드인프라는생물학, 의학및지질학적응용프로그램과같은분야로입자물리학을넘어그영역을넓혀가고있다. LHC 실험의데이터는 4 단계로나누어저장된다. 원본데이터는 CERN의컴퓨터센터에보관되는데이것을 Tier-0 센터라고한다. LHC의모든데이터는중앙허브를통과하지만, 그것은전체컴퓨팅용량의 20 % 미만이다. Tier-0에서는 LHC 에서생산된첫번째데이터는데이터처리시스템으로걸러서데이터를저장한후 Tier-1에배포하고하위계층에서처리된데이터를안전하게보관하는역할을한다. LHC에서생산되는최초의데이터를분석하는것은매우힘든일인데전용알고리즘을사용하여두단계를거쳐데이터를처리하는일명 Trigger 를통해엄청난양의 노이즈 를줄이고, 새로운물리학의발견을가져올수있는가장중요한데이터를선정하여하위단계로보낸다. 무의미한데이터만버려야하므로가장중요한데이터만선정하는기술에초점을맞추어지속적으로개발하고있다. Tier-0에서한차례가공된데이터는충분한저장용량을갖추고 24시간접근이가능한몇몇 Tier-1 센터에분배된다. Tier-1 센터에서는각연구팀이관리하는 Tier-2 센터로데이터를배분하며, Tier-2 센터에서는각대학이나연구소단위에서이용하는컴퓨터인 Tier-3센터에데이터를재분배한다. Tier-3는개인PC로구성할수있고각지역컴퓨팅리소스를통해접속할수있고 WLCG 와 Tier-3 자원사이의공식적인계약관계는따로없다 [Tier-2 까지는공식적인계약을체결함 ]. 우리나라에는

118 CMS 그룹의 Tier-2 가경북대에, ALICE 를위한 Tier-2 가한국과학기 술정보연구원 (KISTI) 에설치되어운영중이다. CMS 그룹의경우 Tier-1 센터는 7 개국에, Tier-2 센터는우리나라를포함 22 개국에구축 되어있다. 데이터가분산되어저장되고처리되므로 Tier 센터들간에 대용량자료가에러없이안정되게전송되고보안이유지되어야한다. [ 참고자료 ] 이강영, LHC, 현대물리학의최전선 ( 사이언스북스, 2011). 이종필, 신의입자를찾아서 ( 마티, 2008). 한국정보통신기술협회, 2008 년도정보통신표준화전략포럼최종연구보고서 (2008). Open Grid Forum Documents Series, OGF

119 제 7 장방문및체험소개 전찬희, 강버들 1. ETH 취리히공과대학 2. 과학체험의요람테크노라마

120 1. 취리히연방공대 (ETH) 를가다! [ 그림 7-1-1] 취리히연방공대 취리히시내가내려다보이는공원에서왼쪽멀리보이는잿빛건물이바로취리히연방공대이다. 아인슈타인을포함해약 30명에달하는노벨상수상자를배출한세계적인대학! 바로그곳에 2012 CERN 연수팀이첫발을내딛었다. CERN에서의공식일정을마치고 ETH를향해오랜시간버스를타고제네바에서취리히로갔었다. 취리히의정문은어떤모습일까? 우리나라의명문대학들의대표적인정문처럼나는취리히의정문도특징이있을것이라생각했다. 한참을평범한주택가를지나고버스가멈추었다. 우리가선곳은마치박물관같은느낌은잿빛큰건물앞이었다. 우리나라처럼특색이있는정문을지난것도아니고주변에넓은잔디밭이라든가대학교정에서느낄수있는활기찬느낌을받지못했다. 오히려 ETH 입구앞에는트램과자동차들이다니고있어서대학이

121 라기보다는미술관이나박물관에온것같았다. 들어가는입구또한그크기가얼마나크던지그크기에한번놀라고사람이가까이가면저절로열리는자동문에한번더놀랐다. 자동문을지나현관으로들어가니중앙과벽면에멋진조각들은다시한번여기가대학인지미술관인지헷갈릴정도였고높은천장과주변의고요함은까치발을하고걸어야할것같은중압감까지주었다. [ 그림 7-1-2] 스위스교육제도와취리히연방공대관련프리젠테이션 가이드를따라우리는한강의실에들어섰고그곳에서 ETH 대학관계자로부터대학의역사와스위스교육제도, 취리히대학의교육과정등에대한설명을들었다. 스위스는중학교때이미진로가결정이된다고한다. 대부분의학생들은우리나라로따지면실업계에진학을하고인문계에진학하는학생은그리많지않다고했다. 인문계에진학하는학생들은정말대학을진학해서공부에올인할학생들이고그래서학습량도대단히많다고한다. 그래서인문계에진학한학생들은모두대학에진학을할수있

122 을뿐아니라대학졸업후진로도어느정도보장받는것같았다. 또한대학학비도정부에서거의지원이된다. 단연방대학의경우진학한다고해서모두졸업을할수있는것은아니고어느정도자격이되어야졸업이가능하기때문에대학진학후에도많은노력을들여공부를해야한다고했다. 어떻게해서중학교때이미진로를결정할수있느냐는질문에대학관계자는그건스위스의문화라서특별한방법은없다고말했다. 가이드의말에의하면스위스는굳이대학을나오지않아도자신의기술만있어도특별한차별을느끼지않고살수있기때문에정말공부하는것을좋아하는학생이아니면실업계로진학해서바로취업을한다고했다. 공부에흥미가있는지없는지는고려하지않고무조건대학만진학하면된다는, 그래서삶의목표가대학진학이된우리나라학생들생각이많이났다. 학교수업, 학원, 과외, 인터넷강의등을들으며새벽부터새벽까지힘겹게깨어있는우리나라학생들이언젠가는대학입학을위한공부가아닌자신의진정한꿈을위한공부를하는날이오길바란다. 또대학을진학하지않아도삶을행복하게꾸려나갈수있다는믿음이있는그런사회분위기와환경이만들어져서더이상학업성적에좌절하거나자신의삶을포기하는학생들이생기지않기를바란다. 우리나라교육의나아가야할방향을 ETH에서느끼고나오면서한편으로는희망을또한편으로는무거운책임감을안고발걸음을옮겼다.

123 2. TECHNORAMA (swiss science center : 년 8월 11일과학관에갔다. 처음계획했던시간은 3시간. 3시간동안충분히볼수있을것이라고들어갔던 TECHNORAMA! 그러나 3시간동안지하전시관과 1층만겨우보고왔다. 각전시물들은모두체험을할수있도록되어있었고각체험코너에는영어, 독일어, 프랑스등으로된설명서들이놓여있는것이인상적이었다. [ 그림 7-2-1] 테크노라마위치 - 출처 :

124 1. TECHNORAMA 가는길 1) 테크노라마전경 [ 그림 7-2-3] 테크노라마전경 화려하고크지않지만내부에들어가면하루종일있어도지루하지 않을만큼다양한체험코너가있다. 2) 입장티켓테크노라마안에들어가려면먼저입장티켓을사야하는데, 입장티켓이우리나라놀이공원의팔찌와비슷해서마치과학놀이공원에들어가는느낌이든다.

125 3) 카페같은과학관내부 [ 그림 7-2-4] 휴게실이알록달록해서과학관에있다는느낌보다는카페에있는느낌이들었 다. 왼쪽은과학체험관, 오른쪽은 lab 이다. 그사이공간에조형물들은과학원리가담겨있는 것인데마치미술조형물같아서갤러리에온느낌이든다.

126 2. TECHNORAMA 전시관 1) Ground floor [ 그림 7-2-5] Ground floor - 출처 :

127 2) 1 층전시장 [ 그림 7-2-6] 1 층전시장 - 출처 : 역학, 전자기학관련실험을모두체험할수있는곳이다. 많은사람들이만져보는곳인데도고장이나거나전시물이흐트러짐이없었다. 또이곳에서는과학쇼가열리는데, 많은사람들이과학쇼에질서정연하게참여하는모습이인상적이었다. [ 그림 7-2-7] 1 층전시장

128 3) 2 층전시장 [ 그림 7-2-8] 2 층전시장 - 출처 : [ 그림 7-2-9] 2 층전시장

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130 제 8 장개발수업자료및적용사례 김상협, 노희진 1. 입자가속기 2. 안개상자 3. 글로벌체험캠프 ( 주제 : 입자물리맛보기 )

131 1. 입자가속기 1. 개발수업자료 1) 가속기모형만들기종이레일을만들어모둠별로종이한개또는두개로선형가속기를만들어탐구한후모둠별로모두모아서원형으로만들어서원형가속기 LHC를간단하게만들어보는실험 [ 그림 8-1-1]1 차협의결과스케치 [ 그림 8-1-2] 가속기레일 ccern

132 [ 그림 8-1-3] 선형가속기만들기 ccern [ 그림 8-1-4] 원으로연결하여원형가속기 LHC 만들기 ccern

133 [ 그림 8-1-5] 실제제작된가속기모형

134 2) 가속기수업학습지제작

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138 2. 활동에적용된물리학원리 1) 운동량보존 충돌전과후의운동량이보존된다. [ 그림 ] 구슬의운동량보존 2) 자석에의한자기퍼텐셜에너지 [ 그림 ] 자석의자기퍼텐셜에너지 1 충돌전자석에의해쇠구슬이강하게당겨지면서가속된다. 2 충돌바로직전쇠구슬의속도와질량의곱이운동량이되며자석을거쳐마지막쇠구슬까지이운동량이전달된다. 3 마지막쇠구슬은자석에의해자화된상태이므로자석에의한퍼텐셜에너지를극복하고 ( 즉쇠구슬끼리붙어있으려고하는자기력을이기고 ) 튀어나오게된다. 이때의속력은쇠구슬이자석에충돌하기바로직전의속력과같다.

139 2. 안개상자 1. 프로그램개발및단원설정이유융합형 과학 교과는제1부 [ 우주와생명 ] 이란거대한이야기를통해, 우리는어디에서왔는가?, 우리는무엇으로구성되어있는가? 에대해학생들과함께풀어가도록되어있다. 우주의기원과진화를 < 우주의기원 >, < 빅뱅과기본입자 >, < 원자의형성 > 이라는소단원을설정하여구성하여과학이어떻게우리들의근원적인궁금점을해결해줄수있는지를보여줌으로써, 학생들에게 과학이왜필요한지? 를인식하고스스로깨닫도록하고있다. 그리고우리인류가 우리는어디에서왔는가? 라는궁금점을해결하기위해어떠한노력을해왔는지를보여주고, 과학이발달한과정을보여주고있다. 이수업프로그램은학생들이우주의기원에대한호기심으로부터출발하여최첨단과학기술과연구로연결지을수있도록개발하였다. 이빅뱅당시의상황도융합형 과학 교과에새롭게등장한이야기로학생들의많은궁금점을낳고, 흥미를불러일으키는소재이다. 학생들은빅뱅을배우면서원자, 원자를구성하는양성자, 중성자, 전자, 쿼크등을배우게된다. 이러한입자를볼수있는탐구와장치를만들면서수업을받는다면, 빅뱅이멀게만느껴지진않을것이다. 그리고융합형 과학 교과는실험위주의탐구내용이부족하다는현장교사의의견들이있다. 그래서입자를볼수있는장치안개상자를만들어보면서, 현재는입자가속기를통해그입자를본다고한다. 그래서현대의입자가속기와입자에대한연구를하는연구기관을소개하면서입자가속기가

140 얼마나정교한과학과고도의기술을요구하는지를알려줌으로써학생 들의첨단과학과기술에대한이해를높일수있다. 2. 수업지도안

141 [ 표 8-2-1] 수업지도안

142 3. 수업자료 1) steam 보여주기 1 - 미국드라마 빅뱅이론 The Bigbang theory [ 그림 8-2-3] 미드 빅뱅이론 에등장하는주인공들 우리우주전체는뜨겁고밀집한상태였지요 (Our whole universe was in a hot dense state) 로시작해서 모든것은빅뱅에서시작되었죠 (It all started with the big BANG)! 로끝나는흥겨운리듬의노래인데, 흥미롭게도드라마의테마곡이다. 이드라마는우주나천문학에대해심각한내용을다루는것이아니라, 엉뚱한천재과학자와공학자 4명의좌충우돌일상을다루는시트콤이다. 괴짜천재셀든은아이큐 187에, 양자역학과끈이론을전공한이론물리학박사이고, 룸메이트인레너드는아이큐 173의실험물리학박사다. 항공공학자인하워드는석사출신이라서특히셀든에게무시당하고, 인도출신의라지는여자앞에서는말한마디못하는천체물리학자다. 이들은때로힉스입자, 초끈등을다루는과학이론이나과학뉴스에

143 관한농담을주고받는다. 물론그배경이나관련지식을알지못하면웃기힘든경우도있다. 또미드 빅뱅이론 이유명한이유는드라마중간중간에가끔유명인이카메오로출연하기때문이다. 2006년노벨물리학상수상자조지스무트버클리캘리포니아대교수가대표적이다. 최근방송분에는영국의천재물리학자스티븐호킹박사가 2분간직접출연해화재가됐다. 참고문헌 : THE SCIENCE, , 미드에서만나는천재과학자들 2) steam 보여주기 2 - 폴고갱의작품 [ 그림 8-2-5] 폴고갱의 우리는어디서왔는가? 우리는무엇인가? 우리는어디로가고있는가? 우리는어디서왔는가? 우리는무엇인가? 우리는어디로가고있는가? 라는긴제목의대작은고갱의생애에서가장중요한작품이다. 1897년타히티에서극도의궁핍과건강의악화로인한절망속에서자살을기도하면서하나의유서처럼대작을남기기로작정하고일년을걸려이작품을완성하였다. 만족스러운결과를얻은뒤그는산꼭대기에올라독약을먹고자살을기도했으나실패하였다. 이작품은미술사상가장철학적인작품제목으로, 지금도우리자신

144 이물어야할질문임에틀림없다. 고갱은그의서신에서오른쪽의세여인과어린아이는순결한생명의탄생을상징하고, 중앙의과일을따는젊은이는인생의뜻을이해하려고노력하는자세이며, 그왼쪽의생각하는여인과늙은여인은죽음을기다리는모습이고, 그리고새들과배경은인생의풍요를표현한다고밝혔다. 참고문헌 : 늘푸른나무 ( 의게시물, 해설 : 임이섭 3) steam 보여주기 3 - 영화콘택트 (Contact) 미국영화이며미스터리 SF 영화이다 년에개봉된오래된영화이나, 아직까지많은사람들이찾아서보고있으며, 아름다운영화로평가받고있다. 이영화의줄거리는앨리에로위 ( 조디포스터 ) 는어렸을적외계인으로부터교신을받은기억을지니고사는소녀이다. 그녀 는성장하면서도계속그믿음을 지녀밤마다모르는상대와의교 [ 그림 8-2-6] 영화콘택트포스터 신을기다리며단파방송에귀를기울인다. 아버지가돌아가신후자신이찾고자하는절대적인진리의해답은과학에있다고믿게된다. 엘리는대학에들어가우주의외계생명체의존재를찾아내는것을궁극적삶의목표로삼게된다. 엘리는그방면의연구에매달려일류과학

145 자가되지만그녀의지나치게편향적인태도는주위로부터따돌림을당하게된다. 그러나엘리는일주일에몇시간씩위성을통해외계지능생물의존재를계속탐색한다. 그리고교신기를완성하여그녀가그교신의첫시도를했을때외계인을만나고돌아온다. 그러나아무도그녀를믿지않자, 그녀는자신의이야기를증명하려온갖노력을기울인다.

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148 니? 5) steam 보여주기 4 - 보이니? 저멀리우주에서온입자를보았 가끔은안개상자를제작하여도우주선이관찰이안될경우도있고, 탐구를통해관찰한사실을함께이야기하는활동이필요하다. 그래서안개상자에서관찰할수있는장면들을미리찍어동영상으로제작하였다. 이안개상자는국립과천과학관에설치된것으로, 밝은곳에서도관찰이잘되도록제작되어있다. 이안개상자로관찰할수있는것을동영상촬영을하여, 학생들이좀더빈번하게많이관찰하고, 관찰결과에대해논의가이어질수있도록동영상을편집하여학생들이자신들이직접제작한안개상자를통해우주선을관찰한후관찰결과에대한논의가일어나기전에보여주도록직접제작하였다. 6) steam 연결하기 - 입자가속기 [ 그림 8-2-9] 유럽원자핵공동연구소의거대강입자충돌가속기 (LHC). 세계최대규 모의싱크로트론으로, 지름이 9km, 둘레가 27km 나된다 ccern

149 유럽 12개국의공동연구소로출범한 CERN은현재유럽내 20개회원국이운영하며, 전세계입자물리학연구자의절반인 1만명에달하는과학자들이이곳을방문하여연구를수행하는세계공동연구소이다. CERN( 유럽핵입자물리연구소 ) 은물질을구성하는기본요소에대한질문에답을찾아갈수있는연구들을진행하는곳으로, 가속기실험을통해물질을구성하는기본입자를규명하는연구와우주생성초기에어떤사건들이일어났는가를밝히는연구등의최첨단연구가진행되는세계적연구기관이다. 우리가사용하고있는월드와이드웹 (www) 이개발되었고, 노벨물리학상수상자 6명을배출한국제공동연구기관이다. 우주생성의과정을밝히기위하여 CERN에는현재 21세기최대의입자가속기대형강입자가속기 (LHC) 가 2008 년에완공되어가동되고있다. 물질을구성하는입자부류중의하나인강입자는원자핵내의양성자와중성자를구성하는기본요소인쿼크로만들어진입자들을뜻한다. 양성자나중성자는세개의쿼크가뭉쳐진강입자에속하며, 그외에도우주선이나가속기에서발견된강입자들이있다. LHC는우주가생성되는빅뱅당시의상황을가속기를이용한실험으로재현하고있다. 지하 100m 깊이에위치한 LHC 가속기는지름 3.7m의터널로둘레가 27km정도이다. 가속기터널내에서서로반대방향으로두양성자가터널을회전하며높은에너지로가속되어충돌한다. 이때가속된양성자는거의빛과같이빠른속도로날아간다. 이양성자가빛의속도로날아오는양성자와정면에서부딪치도록만드는장치가 LHC 가속기이다. 빛의속도로날아가는두양성자가서로정면에서충

150 돌하면양성자를구성하는쿼크들의반응으로새로운입자들이튀어나온다. 터널에장착된 CMS, ALICE, ATLAS, LHC-b의 4개검출기는양성자가서로부딪치는시점에일어나는현상을관측하게된다. 입자가속에서빠르게가속된무거운원자핵들을서로충돌시키는과정에서쏟아져나오는작은입자들을입자검출기로추적해서컴퓨터로분석하여서기본입자에대한정체를알아내고, 쿼크의존재를확인했으며, 우주의기본입자라는사실을밝혔다. 지금까지알려진원소는 110여종이다. 그중에서지구에자연적으로존재하는원소는수소에서우라늄까지 92종이고, 나머지는입자충돌장치를이용해서그존재가능성을확인한인공원소들이다. [ 그림 ] 2009 년에완공된대형강입자가속기 (LHC) 와입자가속기에서양성 자가충돌하는순간 ccern CERN의우수한연구성과는노벨물리학상수상자 6명배출로이어졌다. CERN에서카를로루비아와시몬반데르미어박사가 W입자, Z입자를발견한공로로 1984년에노벨상을수상, 새로운가속기검출기술을개발한조르주샤르팍박사가 1992년에노벨상을수상, 이검출기기술은의공학분야에도적용되어인체영상분석장치에유용하게활용되고있다. CERN 내의검출기실험분야에서우리나라연구원들은 LHC 장치

151 의 2개검출기 ALICE와 CMS와관련된대형국제공동연구에참여중이다. CMS는주로양성자-양성자충돌중에생성되는전자나뮤온같은가벼운입자의측정을, ALICE 는주로원자핵-원자핵충돌중에생성되는강입자의측정을주목적으로하고, 각분야의국내실험전문가들이연구에대거참여하고있다. 검출기실험분야와더불어 LHC 에서사용하는전산자원및전산분석기술을제공하는분야도우리나라연구원들이참여하고있다. 우리나라에서는 1988년에포항방사광가속기를설치하였다. 포항방사광가속기는길이가 160m인선형가속기, 둘레가 280m인저장링, 빔라인으로이루어져있다. 전자총에서쏘아진전자는선형가속기에서가속되어광속의 % 까지빨라진다. 광속에가깝게가속된전자는원형의저장링에서 10시간이상쉬지않고돌게되는데, 저장링에는 36개의전자석이있어서전자가전자석을지날때마다 10도씩방향을바꾸어원형궤도를돌게된다. 방향을바꿀때마다전자는빛 ( 방사광 ) 을뿜어내는데이빛을빔라인으로끌어내어고분자태양전지재료, 마이크로의학용로봇, 신약개발등다양한분야의연구에활용하고있다. [ 참고자료 ] 과학기술연합회 ), 네이버캐스트 ( 입자가속기 )

152 7) Steam 보여주기 5 - CERN 과반물질을소재로한영화천사와악마 천사와악마는 2009년개봉된미국영화이다. 톰행크스와이완맥그리거가주연을맡은유명한영화이다. 세계최대의과학연구소 CERN ( 유럽원자핵공동연구소 ) 에서줄거리는대략다음과같고, 영화에서는우주탄생을재현하는빅뱅실험이진행된다. 물리학자비토리아 ( 아예렛주어 ) 와동료실바노는빅뱅실험을통해강력한에너지원인반물질개발에성공하지만실바노가살 해당하고반물질이사라지는사 건이발생한다. 한편, 하버드대 [ 그림 ] 영화천사와악마포스터 종교기호학교수로버트랭던 ( 톰행크스 ) 은교황청으로부터의문의사건과관련된암호해독을의뢰받는다. 새로운교황을선출하는고대의식인 콘클라베 가집행되기전, 가장유력한 4명의교황후보가납치되고교황청에일루미나티의상징인앰비그램이나타난것. 일루미나티는 지구가돈다 고주장해종교재판을받았던갈릴레오, 코페르니쿠스등 18세기과학의위상을높이고자했던과학자들이모여결성했으나카톨릭교회의탄압에의해사라진비밀결사대. 500년만에부활한일루미나티는 4명의교황후보를한시간에한명씩살해하고마지

153 막에는 CERN 에서탈취한반물질로바티칸을폭파시킬것이라며카 톨릭교회를위협한다. 사건을해결하기위한노력이펼쳐진다. 8) steam 보여주기 6 - 국제연구기관 (CERN) ; 선생님 CERN 다녀 왔다! [ 그림 ] CERN이라는국제연구기관의곳곳에서는과학자를만날수있다. 길거리마다과학자의이름이붙여져있다. 그래서, 파이만의길을걸어갈수있고, 이곳처럼갈릴레오갈릴레이의광장도만날수있으며, 사진속의이곳은 CERN의연구를일반인들이체험하면서즐기면서알수있도록꾸며놓은과학관이다

154 [ 그림 ] CERN에서가장쉽게접하면서도근사한곳은아마도이곳! 중앙통제부이다. 중앙통제부는 ALICE, ATLAS, CMS, LHCb 등에있으며, 겹겹이쌓인모니터들은가속기의작동여부, 가속기에서생겨난입자들에관한정보를끊임없이쏟아내고있었다 [ 그림 ] 누구나 CERN 에간다면제일보고싶은것을입자충돌실험으로꼽 을것이다. 그러나이것은쉽게눈으로볼수없다. 실험시설은엘리베이터를이용하 여, 지하 100m 아래로이동해야볼수있다

155 [ 그림 ] 입자를충돌시켜새로운소립자를얻기위해서는입자를가속하여광 속에가까운속도로충돌시켜야만가능하다. 이렇게입자가속기가있는곳은방사선 이발생하며, RADIATION 경보가붙어있어주의해야한다. 의 ) 9) steam 연결하기 - 과학이란무엇일까? ( 과학의본성에대한논 [ 그림 ]

156 만일내가다른이들보다더멀리볼수있었다면, 그것은내가거 인들의어깨위에올라서있었기때문이다. 현재의모든연구는기존의연구위에서진행이된다. 그래서과거의연구는가치가있고과거의연구가현재의연구를시작하게하는것이다. 우리가과학자의발견과, 그의결과를배우고익히는것은, 그의발견이대단하고절대적이기때문이아니다. 그의발견이현재에도많은연구들을가능하게하며과학이진행될수있게해주기때문이다. 과학은동적인특성을가진다. Science is alive. [ 그림 ] 나는진리의대해를앞에둔바닷가에서한개의조개를주운것에 불과하다. 과학자들은많은것을알아내었고, 현재까지밝혀진것이너무많아

157 앞으로는더연구할것도없지않은가? 라는걱정을하는학생을종종만난다. 그러나, 그렇지않다. 현재도물질의근원에대해서모르고있지않은가? 물질을이루는입자에대해, 그입자들사이의힘에대해모든것을이해하고설명할수는없다. 현재알아가는과정에있을뿐이다. [ 그림 ] 진실은복잡함이나혼란속에있지않고, 언제나단순함속에서찾 을수있다. 물질의근원을찾고, 물질을구성하는입자에대해연구를하는과학자들은현재 힉스입자 를찾고있다. 힉스입자 는자연에존재하는 4가지힘을하나로통합하기위해발견되어야할입자이며, 힘의매개체로알려져있다. 4가지힘을하나로통합하고자하는것은자연현상을단순하게이해하고설명하기위한인간의노력이다.

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160 3. 글로벌체험캠프 1. 함께만드는 LHC 1) 활동순서가.CERN 대해알아보기 -EBS 지식채널e 영상감상 -분위기전환을위한퀴즈 ( 제일멀리서온사람선물주기등 ) -감상후 CERN과 LHC QUIZ( 맞춘사람선물주기 ) -동영상에나와있지않은상식 QUIZ 나. 기초입자물리학강의 (PPT) -깨강정은무엇으로이루어졌을까? -입자를찾는방법 1,2,3 (Youtube 동영상참고 ) -힉스입자를찾아서 다. 가속기만들기 -가우스건을이용한쇠구슬가속기 ( 쇠구슬과자석을이용한여러경우실험해보기 ) -레일을연결해선형가속기만들기 -원으로연결해원형가속기만들기 ( 입자검출기 (CMS,ALICE) 에서충돌하도록설계하기 ) -LHC와쇠구슬가속기다른점이해하기

161 2) 활동장면 [ 그림 8-3-1] 가속기모형원리학습 [ 그림 8-3-2] 입자물리학강의

162 [ 그림 8-3-3] 선형가속기원리학습 [ 그림 8-3-4] 원형가속기원리학습

163 [ 그림 8-3-5] 레일을이용해최대가속기만들기

164 [ 그림 8-3-6] 가속기모형위에얹은검출기모형 2. 눈으로보는우주선 1) 캠프진행 STORY 가. 우주선과안개상자에대한소개 -물질의구성과원자의구성 (ppt) -안개상자의원리 -방사선에대한기초개념 -우주선의검출방법에대한미시적접근 나. 안개상자만들기 -캠프참여매뉴얼동영상시청 -안개상자제작 -빅뱅, 블랙홀동영상시청 -우주선관찰및관찰결과토의

165 다. CERN과입자가속기 -입자가속기와입자검출기소개 -CERN의 LHC와검출기 -교사연수동영상시청 -천사와악마동영상시청 -과학이란무엇일까? 과학의본성에대한이해 라. CERN BOX 만들기 2) 활동장면 [ 그림 8-3-7] 기다림 - 눈으로보는우주선캠프를위한준비

166 [ 그림 8-3-8] 우주선과의만남 - 우주선에대한강의 [ 그림 8-3-9] 상황제시 에탄올을이용하여우주입자를관찰하자

167 [ 그림 ] 문제해결 - 에탄올이과포화된밀폐용기 - 안개상자 - 제작 [ 그림 ] 감성적체험 안개상자제작으로우주입자관찰성공

168 [ 그림 ] 배움확장 손으로만드는국제연구기관 (CERN box) 제작

169 연수후기 1. CERN 연수준비를위한 Tip ( 전찬희, 문영하 ) 2. 연수소감문 ( 참가인원전원 ) 3. CERN 연수단명단

170 1. CERN 에서의생활 1. 무선인터넷사용방법 1) 컴퓨터 (mac address 입력방법 ) : 출국전한국에서미리준비할 경우 [ 그림 9 11] mac address 입력방법 ccern [ 그림 9-1-2] 하드웨어어드레스에 mac address 입력 ccern

171 시작 - 실행 [ 그림 9-1-3] 콘솔창실행방법 [ 그림 9-1-4] 현재사용시스템의네트워크설정사항확인 2) 핸드폰 - 와이파이설정에서 CERN 클릭 - 인터넷실행하면 CERN 홈페이지연결됨 - CERN account를가지고있지않음에클릭 - 자동으로 mac address 검색됨 -next 클릭 - 본인의이름과성, 소속, 전화번호, 이메일작성

172 - mac address 아래칸클릭에서 wireless 클릭 - 아래칸 add클릭 - contact 교수님이름 (storr), 성 (mick) 작성 - 아래쪽에동의여부란에클릭 - 가장아래쪽에네모클릭 - storr 교수님의승인이나면인터넷사용가능 2. 식사 1) 아침 - 메뉴가거의빵이고모든것에다가격이있음. 쨈하나에최소 0.5CHF ( 디지털카메라크기의빵하나, 커피한잔, 사과하나 - 대략 6프랑조금넘음 ) 2) 점심 - 요리가있음. 아침보다종류가다양함. 선택에따라가격다름 ( 볶음밥비슷한것 + 쇠고기 + 버섯비슷한것 프랑 맛은보통, 배는부름 ) - 물은식당에서공짜로먹을수있음 - 공짜빵과샐러드도있음 - restaurant 2 경치가좋은식당임 3) 점심시간전에배가고플수있음. 간단한간식준비도괜찮음 3. 마트이용및선물준비관련 - CERN 숙소맞은편버스타는곳에서 Y 버스를타면까르푸 지나고좀더가면 MIGROS 큰할인매장에섬.

173 - MIGROS에서는술은판매하지않음. - 카트이용시 1프랑필요 ( 다쓴후돌려받을수있음 ) - 선물용초콜릿-한봉지대략 30개 : 6.75 유로 / 10 개 ( 가나초콜릿크기 ) 한세트 : 10유로 / 6살아이티 : 4.99유로 주의 : 프랑으로계산할경우수수료를따져보고손해면카드로구입하는것이좋음 - army knife : 20프랑 ( 기본 ) - CERN 내부기념품 : 40(4층, 찾기어려우므로 info센터를이용하거나묻는것이빠름 ), 33동에있음, reception에도있음과학관 (?) 두곳의전시자료좋음 - 가이드대학원학생들을적극활용. 궁금한점잘설명해줌 - 고마움의표시를할수있는선물준비하면괜찮을듯 4. 언어 - 당연하겠지만영어를잘할수록얻는것이많습니다. - 단, 식당에서는영어보다간단한불어가오히려도움이됨 5. CERN 연수사전공부 참조링크 - CERN 홈페이지에들어가서미리강의 ppt 나다른나라강의 ppt, 또는 Kids 코너에들어가서 CERN 에대해공부하고가면수업내용을

174 이해하기쉬움 1) 강의 ppt 있는곳 -CERN 홈페이지접속오른쪽 [Education at CERN] 클릭 [ 그림 9-1-5] CERN web page ccern - 오른쪽 Archive of all programmes 클릭하면그동안 CERN 에 서한연수 ppt 를모두다운받아볼수있음 - Archive of all programmes 아래 NEWS 에있는파일도괜찮 은자료가많음 [ 그림 9-1-6] ppt 를다운받는곳 ccern

175 2) Kids 코너들어가는방법 - CERN 홈페이지접속오른쪽 Kids 클릭 [ 그림 9-1-7] CERN KID ccern - 다음화면이나오면 ENGLISH 클릭 [ 그림 9-1-8] 언어선택 ccern

176 - 다음화면에서원하는부분을클릭하면관련애니매이션이나 옴 [ 그림 9-1-9] CERN land ccern 3) 그외연수내용을이해하기위해필요한물리이론 - CERN 입자가속기 ( 선형, 원형 ) 구조 - 입자물리학이론, 표준모형 - CMS, ATLAS, ALICE, LHC에대한공부 ( 관련이론, 구조등 ) - 빅뱅, 블랙홀이론 - 라그랑지안 - 전자기력 - cross section 개념

177 6. 숙소 - 독방시설좋음 - 실내에서쓸수있는욕실겸용슬리퍼필요 - 드라이어필요 - 어댑터필요 ( 혹못준비했을경우, 39동로비에있는안내데스크 (?) 에서방호수와이름을알려주면여러개빌려줌 ) - 39동 1층에조리가능한식당이있음. 큰냉장고, 전자렌지, 냄비, 그릇, 오븐등이준비되어있음 - 개인용컴퓨터가있어야함 7. 건의사항 - 수업내용이구체적인수식위주의설명보다는현상과각기계의원리에대한설명위주 - 일방적인강의보다는 CMS, ATLAS, ALICE, LHC 의구조와원리에대한조별활동, 토론수업이많았으면함 - 타이트한수업보다는수업사이사이에여유시간을많이줌으로써수업내용을정리하고생각할수있는시간을부여함으로써의미있는연수가될수있었으면함. - 많은양을듣고잊어버리는것보다적은양이라고남는수업이었으면..

178 8. 제네바시내로나가기 - CERN 앞 14번 tram 타고 cornavin에내리면됨. - cornavin에서몽블랑다리쪽으로내려가서다리를건너뒤편으로하면구시가지가나오고제네바대한장피에르성당, 루소생가등멋진곳이많고구시가지가기전에고급상점들을많이접할수있음. - 관광열차 (?) 도있음. 9.9프랑 - 버스정류장에 8프랑 9시간짜리버스표자판기있음.. 동전만받음. 거스름돈없음. 정확하게 8프랑을넣어야함. 10프랑넣을경우 2프랑은기부로처리되어돌려받을수없음 9. TECHNORAMA - 과학원리체험공간으로충분히체험하기위해하루정도의일 정으로잡아야함. 10. 취리히공대 - 교내기념품가게는일찍문을닫음

179 2. 연수소감문 고색고등학교이제승 As a CERN Ambassador in 2012, JAE SEUNG LEE 정말꼭가보고싶은 CERN 연수에선정된기쁨과연수에대한기대감으로한껏부푼가슴으로 2012학년도 1학기를보냈다. 시간은어김없이흘러드디어그날이왔다. CERN 연수단 20명의선생님들과이창환교수님은네덜란드항공 (KLM) 편으로암스테르담스키폴공항을경유, 취리히를거쳐 8월 5일 ( 일 ) 오후제네바의 CERN 에도착하였다. CERN 연구소단지내호스텔 39동에숙소배정 (212 호 ) 을받고저녁에 R1( 레스토랑1) 에서간단한전체모임을가졌다. 공식연수첫날 8 월 6 일 ( 월 ) 은아침 7 시에슈퍼마켓같은 R1 의문 을열자마자대충빵몇조각과우유등먹거리를골라입안깔깔한서 양식아침식사의식을의무감으로치렀다.

180 오전 8시 40분경스킨헤더... 강렬하고너무나인상적인 Dr. Mick 과의첫만남... 드디어 Mick박사님이자전거를타고등장하여현재와미래의과학을선도하는최첨단연구소현장이라는느낌과는다소대조적인... 낡은연구동과마치안산의시화공단같은공장단지느낌이드는연구시설건물들사이를쭈욱지나우리를 3층강의실로안내하였다. 연구동내어느연구실어디에서나무언가열심히몰두하는세계각국의연구원들의모습이인상적이었고, Dr. Mick으로부터환영인사와함께월요일첫강의인본연수프로그램소개그리고하얀수염을수북하게기른 Jonathan R. Elis(CERN) 박사로부터 CERN에대한전반적소개강의로본격적인첫날연수가진행되었다. 8월 7일 ( 화 ) 둘째날은 CMS. 오전에 CMS 이론강의를듣고오후에버스를타고이동하여 CMS 에도착, 드디어사진으로만보던 LHC의크기 ( 둘레 27km, 평균깊이 100m, 초전도체화를위한 1.7k 의극저온등 ) 와 CMS ALICE ATLAS LHC-b 등기본입자 (standard particle)

181 검출을위한장치에대한그규모와초정밀성 ( 발생입자detecting을위한단계별정밀성및컴퓨팅 ) 에대한실물규모를몸소느껴봄으로써현대입자물리학의현주소에대한확인과이를우리교실수업에전달할감격으로인지적충격이매우컸으며 LHC의실체를느껴보고각종시설물과 CERN의연구 system 등을몸소체험할수있었다. 8월 8 일은 Geraldine Servant (CERN) 박사님의 Introduction to Cosmology 강의가진행되었다. CERN 연구진의구성이워낙다국적연구원들의집합인지라영어로진행되는강의인데도강한불어식또는이태리식영어발음등으로강의내용을잘듣지못하고넘어가는경우가많았다. 이런경우에는통역강의또는사전우리말로번역된강의내용을준비하여 CERN의한국교사연수프로그램웹사이트에한글로탑재하는서비스가있었으면더좋았을것으로생각되었다. 또연수마지막공식일정으로취리히 ETH( 스위스연방공대 ) 방문시브리핑만듣고끝냈는데, 한국출신교수나연구원및학생들과의만남을포함하고대학의주요시설방문및소개가있었으면더좋았을것으로생각된다.

182 이번연수에서는 Mick교수님이진행한 Build a Cloud Chamber 가특별히인상적이었는데, 이는교실실험을통하여우주선의존재를직접확인할수있는기회로이론으로만배웠던내용을학생들에게체험할수있도록하는수업아이디어를고민할수있는계기가되어좋았고, 테크로라마과학관체험과같은프로그램은개별선택인프라체험으로보다는본연수프로그램으로시간을충분히확보하여우리교실수업에직접적용할수있는기회를제공했으면하는생각이들었다. 또한이왕스위스에왔으니, 일반적인관광보다는 [ 시계공장, 치즈공장, 초콜렛공장 ] 등스위스현지주력산업을체험할수있는견학프로그램을포함하면좋겠다는생각이들었다. 전반적으로이번 CERN의교사연수프로그램은 4박 5일의짧은연수기간이라서 CERN 의필수적인핵심을축약한내용으로만편성 ( 맛만본느낌...) 되어된것으로생각되며, 가능하다면유럽의물리교사대상연수프로그램수준으로좀더기간을늘려주실것을건의하고싶다.

183 잘된점및유지할사항이많지만특별히몇가지말씀드리고싶다. 1. 연수대상자의선발 : 시도교육청을거치지않고창의재단에서직접선발한점과 3.6년부터 31.6 년까지의폭넓은경력층을두루선발한점 2. 연수진행의일관성 : 이창환교수님한분께너무수고와부담을드렸지만연수자의입장에서는교수님의역할과노고가너무나든든한힘이되었으며, 차기연수에도이시스템이역할분담으로더욱발전운영되기를기대함. 3. 창의재단관계자들의열성적이고적극적인지원 : 정진수단장님과민영경박사님, 이현숙박사님등본연수운영을위한창의재단담당자들의적극지원 그리고문제점또는개선할사항으로는 1. 연수내용진행자 ( 연수프로그램운영전문가 ) 와연수일정진행자 ( 행정및코디네이터 ) 의분리운영을통한연수진행의효율성제고 2. 항공편예약에특별한이유가없다면암스테르담을경유한이동보다는우리국적기스위스직항편으로이동하여연수시간을절약해야함. 3. 개별부담현지인프라견학 ( 일반관광여행과같은 ) 보다는시계치즈초콜릿등스위스산업기반시설을견학할수있는기회를꼭포함할것을건의한다.

184 끝으로이번연수에서너무큰경험을한사실을기록하지않을수없다. 공식적인일정이모두성공적으로마무리된마지막날... 취리히 Street Parade 참가에이은성공적 (?) 야간문화체험의후유증으로... 귀국출발당일아침... 국외여행에서가장중요한것을분실하여엄청난롤러코스터를탔다. 비상상황에서현지가이드와여러분의도움을받아정말다행하게무사히귀국할수있었으나, 본의아니게연수단의여러선생님들께걱정을끼쳐드린데대해미안함과함께따뜻한동료애에깊은감사의말씀을드리지않을수없다. 이제부터는그사랑과지원을바탕으로 2012 CERN Ambassador 로서의힘찬활동을시작해야겠다.

185 여의도중학교신명석 그리운 CERN [LHC 모형앞에서 ] 2012년우수과학교사스위스제네바유럽핵입자물리연구소 (CERN) 연수대상자 에선정되었다는소식을들은날, 마음이들떠꿈을꾸고있는것같았다. 입자물리학에관심이있어서석사과정을교육학이아닌실험으로학위를한나에게 CERN은막연히 나도한번이곳에가봐서공부하고싶다 라는생각했던곳이다. 교사로서과학자를꿈꾸는학생들에게 너희들중에누군가언젠가는이곳에서연구하는사람이있으면좋겠어. 라고했던것에만족해야했던그장소가 CERN이다. 내가 CERN에방문해서세계적석학의강의를듣고, 그들의연구소를방문하여과학자들을만나는것은상상속의일이었다. 더욱이 2012 년 7 월 04일 CERN 은 4 일 ( 현지시간 ) 125GeV( 기가전자볼트 ) 의질량을가진새로운입자를발견했다고발표했고, 방송에까지 CERN의이름이언급되었다. 야! 한달후에내가이런뉴스가난곳을

186 가다니... 긴비행시간을마치고, CERN에들어가자마자우리를맞이하는것은책에서많이보았던인물들의이름이다. 길의이름이 Albert Einstein, Marie Curie등이있었다.(CERN 연구소의길은노벨물리학상을수상한사람들의이름을붙임 ) 그리고 CERN의모습을첨단디자인의건물을생각하였다면실망할수있는외형적으로낡은건물들이있다. 마치옛날에보았던공장의모습처럼보였다. 하지만내부시설은최신식컴퓨터와지하 100m에있는 LHC( 거대강입자충돌기 ) 는미시세계에서살아가는입자를검출하는장치이다. LHC 는이름처럼거대하다. 건설할당시건설비용이 10조원에이르며, 연간유지비는 9 천억원이다. 세계에서제일큰기계로반지름이 27km 이다. CERN이거대한 LHC 가속기를지은첫번째목적도힉스를찾는다는것이었다. ( 힉스입자-50년전에예측을해서, 이제야서서히모습을드러내는입자 ) LHC는다소철학적이기는하지만가장근본적인질문. 우리는어디에서왔는가? 에대답을가능하게해줄기계이며, 나아가서 우리는어디로가는가? 에대한대답도지금여기에서부터시작할수있을수있다. LHC는과학적질문에만쓰임새가한정되어있는것은아니다. 양성자가속기가현대과학의기술집약체임과가속에쓰이는전자석과자동제어기술, 초정밀기술, 고진공기술, 초전도기술, 극저온기술들이곧바로학술연구와의료 에너지 군사등다양한분야에적용될수있다. 또한양성자기술이정보 생명공학 나노기술 우주기술같은첨단산업의근간이되는것을우리는알수있었다.

187 CERN은 LHC를만든곳이고, WWW(World Wide Web) 의개념이처음만들어진곳이기도하다. 우리연수를책임지고있는 Mick Storr박사님이그것이처음만들때동참했다고하니, 위대한인물을만나서강의를듣고사진을찍을수있다는것만으로도올해는기억에남는해이다. 첫번째강의시간. 믹스토박사님은연수팀을반갑게맞이해주셨고, 연수전체일정에대해여소개해주셨다. 내가영어에능숙하지않다는것을아시는지천천히명확하게말씀해주셔서순간 나의영어실력이이렇게늘었나? 라는착각을가지게해주셨다. 그리고일주일간의시간이바쁘고빠르게쑤욱흘러가귀국하여이글을쓰고있다. 일반교사로서세계최고, 최대의연구소를찾아가는것은쉬운일이아니다. 전국에서선발된 20명의선생님들과같이가는것은행운이었다. 이번연수를통해전국에계신훌륭한선생님들을만나게되어반가웠고, 본인으로서는평소관심분야에대한시야를넓게갖을수있는기회가될수있었다. 마지막으로우리연수를위해서애써주신부산대이창환교수님, 한국과학창의재단이현숙대리님, 학국과학창의재단과교육과학부관계자여러분에게감사를드린다. 그리고, 스위스에있는동안한국의기록적인더운날씨에도건강하게지내준아내와아들에게감사한다.

188 구룡중학교이소정 CERN 연수소감문 CERN이라는곳에관심을가지게된것은뉴스를통해 신의입자 라는용어를처음접했을때이다. 화학을전공한나로서는입자라는용어앞에 신 (God) 이라는수식어가붙은것이너무나도신선한충격이었고, 이용어는나의호기심을무척이나자극하였다. 이용어가나오게된곳은제네바근처프랑스와스위스국경지대에위치한 CERN이라는연구소였다. 이곳을묘사하는수식어는다양했다. 총인원 2,400명이근무하는세계최대규모의연구소, 둘레 27km, 지름 8km에달하는어마어마한실험설비를갖추고있는곳, 노벨상수상자를 5번이나배출했지만대중에겐알려져있지않은곳, WWW(World Wide Web) 를최초로개발하고상용화했지만인류를위해기술을공개한곳, 세계에서가장신뢰받는과학기관이지만가장미스터리한주제를연구하는곳. 사뭇신비감이물씬배어나오는표현들이아닐수없었다. 2012년 8월 4일, 수많은수식어를가지고있는곳이며, 전세계인류가공유하고있는최첨단지식의집합소인이곳을방문하기위해전국

189 에서모인 20명의선생님들, 그리고부산대이창환교수님과함께부푼기대를안고인천공항을출발하였다. 스위스제네바에도착한후, CERN의입구. CERN 의입구는경비가무척삼엄하였다. 이곳에서알게된지식들을전세계인들이공유하고있지만, 테러등의발생에대비하는듯하였다. 일부과학에대해문외한사람들은 CERN이블랙홀을만들어지구를삼켜버릴수도있다고생각하므로 CERN에서진행되고있는실험을반대하기때문인것같았다. 삼엄한경비의 CERN의입구를지나내눈앞에펼쳐진 CERN 내부의모습은내가상상했던미스터리한공간이아니라평범한대학교의캠퍼스와같은모습이었다. 여러개의연구빌딩과사무실, 드문드문깔려있는잔디밭, 그리고두개의레스토랑으로이루어져있었다. CERN에도착한다음날부터는빠듯한일정이시작되었다. CERN 에서연구하고있는것을이해하기위해필요한여러강의들과 CMS, ALICE, PS, LINAC, LEIR 등의시설방문등 5일동안모든일정이빡빡하게조직되어있었다. 이렇듯매일매일빠듯한일정들을소화하며, 많은지식들을접하면서나는마치새로운세계에와있는것과같은착각을하게되었으며내가슴속깊이품고있던학문적열정과지적호기심이마구발산되었다. 보통사람들은물리학이라고하면 굉장히어려운공부 이며세상물정을모르는순진한사람들이하는학문으로여기기도한다. 하지만물리학은학문적열정과지적호기심으로가득찬물리학자들이우주와생명과의식에대한끊임없는탐구를통해이세상의진리를알아가는학문인것을 CERN에있는동안몸소느낄수있었다. CERN의연구진들이강의실이아닌카페테리아나잔디밭, 산책로, 자전거도로등에

190 서거대한우주를이해하기위해열정적이며자유롭고창의적인대화를하는모습들이나에겐너무도낭만적이고감동적으로비춰졌다. 나는과학이란 과학자들이실험실에서그들만의언어로주고받는밀담 이아니라그혜택과피해를함께나눌모든사람들과함께상의하고토론해야하는학문이라고믿는다. 과학은우리가자연과우주와생명을이해하는방식이며, 우리삶을둘러싸고있는사회적터전이기때문이다. 나는이러한모습을 CERN에서분명히볼수있었다. CERN연수를하기전에는 CERN에서단순히많은지식을얻어올수있겠다고생각했지만, 막상연수를하고난뒤내가배우게된것은단순히많은지식보다는학문적열정과지적호기심그리고인류를위한진정한삶의모습이었다. 나는대한민국선생님의한사람으로서단순히과학의지식을전달하는선생님이기보다는과학을공부해야하는진정한의미를알려주고실제의과학자들의모습을보고느낀대로전달하여학생들에게 이러한멋진과학을공부해보지않겠냐 며권유하는선생님이고싶다.

191 미양고등학교임정욱 연수소감문 세계최고, 최대의입자물리학연구소인 CERN 방문에대한기대감반, 연수기간중동행하는선생님들과좋은만남을만들어야한다는부담감반으로 8월 4일 12시쯤미리통보된인천공항 3층네덜란드항공탑승수속카운터에서먼저도착하신선생님들과조금어색한인사를나누는것으로연수가시작되었다. 곧이어출국절차를밟은후비행기탑승에이어암스테르담을경유하여취리히까지이동하는과정동안시차적응과연수준비등으로스위스에도착한날늦은오후취리히근교호텔에서여장을풀기까지정신없이시간이지나갔다. 숙소에서의휴식으로다소피로가풀린 5일오전방문한필라투스산은규모면에서우리나라에서볼수없는장관으로입을다물지못하

192 게만들었고, 당일오후에드디어세계과학자들의선망의대상인 CERN에도착하였다. CERN에대한처음의인상은연구소라기보다는마치대학과같은느낌을주었고활기찬표정으로오가는사람들은세계각지에서모여든우수한인재들이라는선입견이깨질만큼너무나평범해보였다. 현지프로그램을기획하고총책임을맡은인자한표정의 Mick Storr 교수님은 CERN에서의연수기간동안언제나웃는낯으로강의를진행하거나견학을안내하면서일행을배려하는모습을보여주셨다. 6일오전부터본격적으로시작된연수는 9일까지주로오전에는강의, 오후에는거대강입자충돌기 (LHC) 가설치되어있는현장을방문하여 LHC를가동시키는데참여하고있는연구원이나관리원등의설명을듣는견학으로이루어졌다. 강사중에는 Jonathan R. Ellis 와같이현재입자물리학분야에서지명도가높은분들도많았고강의는몇분의한국인교수님을빼고는영어로진행되어영어실력이부족한나로서는어려움이많았지만다행히일행을총괄하고이끌어주신이창환교수님이친절하게통역을해주셔서강의를이해하는데많은도움이되었다. 또한견학과정에서연구목적으로 CERN에오게된우리나라유학생들이친절하게안내를해주었는데그수가적지않아한국인으로서의자부심을느낄수있었다. 7일오전에는 LHC의일부인 CMS, 8일이른오후에는 ALICE를각각방문하였다. 아쉽게도현재가속기가가동중이어서방사능노출등의문제로가속기를직접보지는못했지만강의시간에미처듣지못했던입자가속기에대한세부내용, 그외의부대시설이나설비에대한

193 설명, 그리고충돌과정에서만들어지는많은양의데이터를처리하는과정에대한브리핑을현지연구원으로부터직접들으면서과연이러니까입자물리를연구하는세계각지의인재들이이곳으로몰려드는구나하는생각이절로들었다. 이어서 8 일늦은오후에는제네바시내를견학하는시간이이어졌다. 도심을걸으면서우리나라에서볼수없는노면전차 ( 트램 ) 이나노면버스, 교회를포함하여옛중세시대의향수가느껴지는아담하고예쁜건물이나공원, 유적지등이눈에많이띄었는데전체적으로옛것을손상시키지않고그대로보존하려하는스위스인들의성격을엿볼수있었다. 그리고이러한도심경관에어울려한가로이거리를활보하거나카페외부의야외테이블에서편안한표정으로음료를마시며서로웃고대화하는사람들의모습은한국에서짜여진틀대로정신적여유없이생활해오던나로하여금오랜만에자유로움과행복감을느끼게해주었다. 9일에는강의와컴퓨터시설견학등으로진행되었으며, 10일오전에는한국에서온김민석연구원의마지막강의가있었고, 이어바로연수수료식을마친후 CERN에서의활동을마무리하였다. 당일오후에취리히로이동하여한때아인슈타인이학생으로재학했던취리히연방공과대학 (ETH) 을방문하여감회가새로웠다. 규모면에서는그다지크지않았지만고풍스러운분위기의건물과함께나름대로의전통과실속을갖추고있다는느낌이들었다. 마중나온대학관계자의설명으로부터스위스의대학진학률이한국보다훨씬낮은데놀랐으며, 이렇게낮은대학진학률을보임에도불구하고많은사람들이자신에

194 맞는직업을선택하여오히려한국보다양질의삶을살아갈수있는스위스란나라의사회구조가부러워지는순간이었다. 다음날인 11일에는스위스과학센터인테크로라마를방문, 견학하였다. 이를테면우리나라서울창경궁옆의국립과학관이나낙성대에있는서울시과학전시관과같은성격의곳이었는데예정된방문시간이부족할만큼신기하고볼것이많은것에놀랐으며한마디로말하면스위스의기초과학에대한높은관심과교육에대한아낌없는투자를볼수있어서또한번스위스란나라를다시보게되었다. 당일오후에는때맞추어개최되는취리히거리축제 ( 스트리트퍼레이드 ) 를관람하게되었는데기괴한차림으로거리를메우고다니는사람들을구경하느라시간가는줄몰랐던것같다. 한국인의정서에는다소생소한면도있었지만남의시선에구애받지않고한껏젊음을발산하는모습에서오히려순수함이느껴졌다. 돌이켜보면 8박 10일간의연수기간중한가지라도놓치지않고배워가려는동료선생님들의열정적인모습은안이한일상에자족하는습관에익숙해져버린나에게좋은자극제가되었다. 또한단체활동중에필히발생하는구성원사이의분위기나의견조정, 중요사항전달, 활동뒷마무리등의어려운일을도맡으며서로에게따뜻한관심을보이고배려해주신모든동료선생님들께다시한번깊이감사드리며지금이순간 CERN연수를포함한스위스에서의행복한기억을오래간직하고싶은마음이절실한것은나만이아닐것으로확신한다.

195 안산고등학교김명하 응답하라 년 8월고등학교 1학년을다니던시절우연히친구에게빌려온과학잡지속에는우주에대한여러가지이야기들이즐비하게담겨있었다. 그렇게처음만난천체물리이야기그렇게우주는거짓말처럼내마음한구석을가득담게되었다. 우주에대한무한한동경으로시작한물리공부는해를더할수록점점더깊은열정으로 1995년물리학과에진학을하게되었다. 교사가꿈인나에게사범대학이아닌일반대학물리학과로이끈것은바로물리를배우는깊이와양이었다. 더많은물리를더깊은물리의내용을알고싶고보고싶어서교직이수가된다는이야기를듣고무작정일반대학물리학과에몸을실었다. 대학 4년동안배운가장큰소득은물리를보는시각이점점넓어진것이다. 2001년대학원을진학하며 세상에서가장작은영역을공부하는것이가장큰우주를공부하는것이다. 라는명제하에핵천체물리를공부하게되었다. 마침중성자별을연구하고박사후연구원으로오신박사님덕분에별다른선택의고민없이천체물리를공부할수있는기회를자연스럽게얻었다. 하지만어린시절동경의대상으로막

196 연히생각해본물리학은현실에서나에게너무나도냉혹했다. 상대론적양자역학, 양자색역학, 양자장론등생각지도못한많은양의학문서적들쏟아져내리는논문들... 허덕거리면서대학원생활을했지만여러내용들을학습하면서맘속에동경으로자리잡은것은물리학을공부하는사람이라면한번쯤가보고싶어하는유럽핵입자물리연구소 CERN이있었다. 2003년 2년간의대학원공부를마치고안산고등학교에발령을받아학생들을가르치며생활을했다. 학생들과이것저것과학이야기를하며 현대과학은이렇게생각하고이런모양을갖추고있으며우리는이렇게생각을해야해 ~~ 이렇게수업을하고싶었지만현재의고등학교수업시간은그런마음을가지기에는녹녹치않았다. 물리문제는이렇게풀어야하고입시를위해서물리는이렇게공부를하는거야 ~~ 라며점점재미없는물리이야기만을늘어놓는교사가되고있는내모습을바라보게되었다. 점점더멀어져핵물리, 천체물리, 중성자별그리고소립자등등너무멀리있는까마득한이야기들이라생각되어져이제는가볼수없는그곳이되어버렸다고생각한 CERN, 내머릿속에화석처럼굳어져회색빛이감도는옛기억이되었다. 2012년그곳이, 내꿈속에서나볼수있던그곳이눈앞의현실이되어유럽행비행기에몸을실고스위스제네바로향하고있다. CERN에서의일주일간의연수는너무빨리흘러아쉬움을남기게되었다. 조금더알고싶고조금더보고싶었는데시차적응이되지않은몸은연수시간만되면왜그렇게눈꺼풀이무겁던지자꾸만감기고세계유명한석학들의강연을꿈속아득한곳에서듣게될줄이야 ~~ 너무아쉽게

197 빨리지나간일주일간의짧은연수하지만그연수속에서얻은것은비단물리학의지식만이아니다. 물리를정말좋아하는사람들을볼수있었으며그들이식사를하고, 커피를마시며물리에대한여러가지이야기를모습을보았다. 그리고 CERN에있는대학선후배들을만나며잊었던물리에대한내맘속의열정이다시불타오르게되었다. 5년전어느책을읽고감상문을적으며 나는다시태어나도물리를공부하고싶다. 라는말을써놓았던기억이난다. 그래나는다시태어나도물리를공부하고싶다. 만물의근원을알고싶어하는그무한의열정적인공간에나도함께하고싶다. 그리고천체물리를공부할때, 교사가되었을때그때마다마음속에다짐을한명제를되뇌어본다. 꿈!! 그것은간절히원하고노력한다면그것은거짓말처럼현실이되어있다. 그렇다. 꿈에서도가고싶은 CERN 그곳에나는갔다왔다. 오늘도그마음그설렘을간직하며내손에쥔분필한자루에물리학의꿈을담아학생들을가르치러교실에들어간다.

198 화홍중학교김상협 연수소감문 CERN에서돌아오는비행기는서글프기까지하다. 유럽의건조하고서늘한여름을뒤로하고, 보나마나뻔한후덥지근한여름이기다리고있고, 며칠후에는호환마마보다두렵다는개학이기다고있기때문이다. 비행기는지금넓은러시아의평원위를날고있다. 앞좌석의모니터는열심히비행기의현재위치를표시하고있는데당연하게도서울로가까워질때마다잊고있던집과학교생각이선명해지고 CERN의추억들은희미해진다. 연수의기억이투명해져기억할수없을것같은또다른두려움때문에비행기안에서연수후기를쓰기로한다. CERN연수는이곳음식퐁듀랑닮아있다는생각을했다. 고소하고시큼한치즈냄새때문에먹어보기전에는입맛을다시지만막상먹어보면별맛이없고끝맛은짜고느끼하기까지한치즈퐁듀. CERN연수도가기전에는장밋빛상상의나래를폈다. LHC안에들어가서광대

199 한빔이지나가는광경을목격하며이곳이세계입자물리학의메카라는자부심을느끼며, 힉스메커니즘을이해하고돌아와서최신이론들을아이들에게빠짐없이전파해야지... 냄새와맛은일치할때도있지만그렇지않을때가많다. LHC는 CMS 검출기근처만간신히갈수있었고, 힉스메커니즘은들으면들을수록알듯모를듯더어려워진다. 더군다나일주일을맛을봤는데입자물리는도통감이잡히지않고 LHC는왜이리복잡한건지. 그런데그느끼한맛이은근히끌리고이제는그리워진다. 취리히마켓에서치즈를사고호텔의마지막조식에서도빵에치즈를올려한입물고왔다. 잠시후기내조식은한식이나오는모양이다. 이곳저곳에서고추장을꺼내고있는데나는치즈냄새를애써기억하고있다. 마치 CERN에서보고느끼고온 LHC를다시떠올리는것처럼코끝에서치즈냄새가느껴진다. 음식의맛은재료하나하나의맛이아니라여러재료의향과식감이어우러진것이라고말한다. CERN 연수의느낌이바로그런맛이다. 입자물리학의배경지식만으로표현할수없고, cms와 alice에서본거대한실험장비만으로도어쩐지부족하다. 같이있던우리연수팀과, 함께했던추억들과, 이모든것이어우러져퐁듀처럼진한맛을내는것이아닐까? * 특별히감사드릴분들이있다. 사실연수전에는잘몰랐는데이분들이있었기에모든게가능했고앞으로도이분들과함께라면어디든지갈수있을것같다. 먼저이창환교수님께감사드린다. 지난해먼저갔다온사람들이이분좋다고할때눈치를챘어야했는데지내고보니정말이지좋은분이다. 그리

200 고우리연수팀장이제승선생님께감사드린다. 말해무엇하랴, 마지막 까지긴장과웃음을선사하시고, 철저한준비와지치지않는열정은정 말이지본받고싶다.

201 범박고등학교전찬희 새로운도전과꿈, 그리고생각만해도미소가절로나는그리운추억을만들어 준 CERN 연수를되새기며... [ 좌로부터 - 인천공항출발전 / 환승통로의과학체험코너 / 필라투스산에서 ] [ 강의중 ] [ 좌로부터 - 현지과학자들과의교류 / 제네바미션수행 ] 8박 10 일일정이파노라마처럼지나간다. 아직도나는스위스 CERN에있는것같은착각을일으키기도한다. 개정교육과정에서고등학교 1학년과학을가르치면서늘뭔가가아쉽고자신이없었다. 내가보지못한것을, 그리고내가깊이깨닫지못한것을아이들과함께얘기를해야하는부담감이나를학생들앞에서작게만들었다. 과학교사국제연수공문을처음봤을때스위스 CERN에서입자가속기도

202 실제로보고, 그곳에서이루어지는연구들을과학자들에게직접듣고경험해보고싶은마음이간절했다. 국제연수대상자로확정되었을때의그감동과감사한마음은아직도나를흥분하게하고수업연구를열심히하게하는원동력이되고있다. 비록실험중이라직접가속기를보지는못했지만우주시작의비밀을밝히는연구에열중하고있는세계의과학자들을만나고또한국과학자 ( 특히, 여성과학자 ) 가 ALICE의책임연구원으로활동하고있다는사실은한국인으로서의자긍심뿐아니라, 하루빨리학교로돌아가서아이들에게자랑하고싶은조바심마저생겼다. CERN에서의경험은나에게우주파트수업에대한욕심과희망을주었다. 그리고함께한 19명의선생님과교수님을알게되어행복했던시간이었다.

203 청라고등학교노희진 Science is alive. 어린시절과학에관심을갖으면서, 세상은무엇으로이루어져있을까? 를생각했다. 이번 CERN을다녀온것은, 그궁금함을찾아떠날수있었던배움의여행이었다. 기대감으로마음은들떠있었고, 출발하기에앞서힉스입자발견이라는신문보도들은내가최고의연구기관에최신의연구속으로뛰어들어가는흥분감을갖게하였다. 물질을이루고입는입자에대해서원자핵을이루는양성자, 중성자라는사실을알게되었던고등학교시절에눈에보이지않는세상이있음을깨닫고세상의비밀을알게된듯한느낌을가졌는데, 대학에진학해서양성자와중성자를구성하는쿼크의존재를알면서세상의비밀속에깊이들어가는느낌이들었다. 그러나이번 CERN에서는쿼크를넘어그속에있는비밀기지에들어가는느낌이었다. 사실, 쿼크넘어의세계는손에잡힐듯하지만, 내가다이해하기에는역부족이었다. 그러나, 쿼크넘어의세계가있고, 그것을이해하고단순화하려는노력이현재진행중이며, 그러한노력의결과로새로운이론이증명이되어가려고하고, 인정받으려한다는사실이너무나놀라웠다. 원자핵을충돌시켜, 생성된입자들을검출하고, 분석하여그입자를해석하는일이일어나고있었다. 한마디로과학은현재진행중이고, 살아있었다. 과학은발전하고있었다. 발전의역사속으로, 발전의중심에서발전을이끌어가는그곳에서있었다. 정말이지 Science is alive. 다.

204 Imagination is better than knowledge 새로운입자를발견하기위해, 입자를검출하는방법을알게되었던, 역사속과학자들의이야기를들으면서, 그들의아이디어가너무나놀라웠다. 입자가속기를만들어내고, 다양한검출기를만들어내고, 또한연합형태의거대한연구기관 (CERN) 을만들어냄이, 모두가사고 (Thinking) 에서시작되었다는것이놀라움의연속이었다. 창의적인생각이세상을변화시키고, 세상을새로움의세계로데려가고있었고, 현재도그렇다는것을깨달았다. 창의적인생각이 상상 이었음 CERN에서알게되었다. 새로운상상을한다는것, 입자를빛의속도록가속시키겠다는것, 거대한입자가속기를건설하겠다는것, 입자를컴퓨터를통해검출하겠다는것, 수많은컴퓨터 ( 많아도너무많은 ) 를연결하겠다는것등등이모두가 상상 이었다는것을깨달았다. 상상 이거대한연구소 CERN을만들게했고, 이흥미로운연구를가능하게했던것이다. 상상 의힘을눈으로보고, 몸으로느끼게되었고, 지식보다왜아이들이상상하게하여야하는지를알수있게되었다. With great teachers. CERN 연수의매력은 CERN에만있는것이아니다. 연수에참여한교사들은많은매력을가지고있었다. 함께한선생님이보여주신그들의생각, 말씨, 마음씨속에서교사로서의나의삶을돌아볼수있었고, 나의나아가야할방향을볼수있었고, 그들과함께인것자체가배움의투성이었다. 하루하루가너무나바쁜학교일과로인해몇년간가능하지못했던,

205 자신을돌아보기와미래의비전을세우기가 8박 10일안에가능하다는것이놀라웠다. 20명이라는많다면많은교사들이자연스럽게서로가서로한테영향을주고받으면서그속에서서로의마음들이빨리빨리움직여서하나가되는느낌이표현할수없지만많은것을배울수있었고, 맘속에행복함으로채워졌다. 이러한행복함이학교현장에서학생들을더잘가르치게하는원동력이되어가고있다. 그래서새로운바램이생겨나고있다. 내년엔 NASA도가고싶어진다. 결론은과학교사로서행복한여름을보냈음에틀림이없다. [ 취리히호수에서 ] [ 입자강의즐기기 ]

206 [ 안개상자만들기 ] [ 지하 100m 아래 ]

207 강릉여자고등학교황상연 CERN 연수를다녀와서 : 어깨가더무거워졌습니다! 이번 CERN 연수를통해입자물리와우주론등을포함한현대물리교육론에지대한관심과흥미를가지게되었습니다. CERN 연수를가기전에는융합과학, 개정물리교과를지도하면서단순히학생들에게관련배경지식만을전달하는데급급하였습니다. 하지만 CERN 연수를통해 LHC 내 CMS, ALICE 와같은최첨단입자검출기, computer centre, PS-LINAC, SM-18 와같은관련기타실험 [CMS 모형앞에서 ] 장치등을직접내눈으로보고설명을들으니감탄이절로나오지않을수가없었습니다. Seeing is believing 이라는격언의깨달음을실천한것입니다. 특히안개상자만들기실험은 CERN 연수후에학생들이팀을만들어탐구하고결과를발표하는계기가되어아주좋았습니다. CERN 연수를다녀온후, 새로운무언가를보고알게된기쁨보다

208 는 학생들에게입자물리나우주론등을포함한현대물리를어떻게접근시키고그것으로부터무엇을얻을수있을까? 라는질문에빠지게되었습니다. 무언가를할수있을것같은데해보면무언가가부족함을깨닫게되었습니다. 나름대로고민한결과, 그무엇은현대물리에관한배경지식의부재이었습니다. 이것을채우기위해 CERN 연수전에보았던 대학일반물리학책, LHC, 현대물리학의최전선, YouTube 에있는 한양대학교오픈코스물리학강좌, 모든사람을위한빅뱅우주론강의, 월간뉴턴잡지 등을시간이허락하는범위안에서다시꺼내공부하였으며지금도공부하고있는중입니다. 물론쉽지는않았지만지적으로성장해가는내모습을볼수있어지금은뿌듯합니다. 그다음으로해결해야할문제는현대물리교육론의관점에서학생들을지도하고결과를얻어분석하는것입니다. 그렇게하려면다양하고많은선행연구자료가있어야하는데제가찾아본바에의하면현실은그렇지가않았습니다. 그래서초석으로융합과학교과서와개정물리교과서내용중에서이분야와관련된부분만을발췌하여학생들의선행개념유형분석과교과서내용분석을하고있고계속해서할계획입니다. 예전에는계획만있고실천의지가없어하지를못하였는데이번 CERN 연수를통해이분야에지대한관심이생겨예전의제모습을반성하고지금은학생들과함께관련현장연구를하고있는중입니다. 이번 CERN 연수를준비하고저에게매우소중한기회를준모든분들께감사의마음을전합니다. LHC 내 ATLAS, LHCb 입자검출기를직접내눈으로보지못한것이끝내아쉬움으로남지만내년연수에는 4개의모든입자검출기현장견학이있기를바랍니다. LHC와

209 같은거대입자실험장치가대한민국이아닌유럽국가에있다는사실이부럽지만대한민국에는우주만물의이론 (Theory Of Everything) 을규명할유능한미래과학도들이있습니다. 어려운현실여건속에서도묵묵히이런인재를양성하기위해오늘도헌신하고있는대한민국모든과학교사들이존경스러울뿐입니다. 대한민국과학교사파이팅 ~!

210 천안북중학교윤석오 2012 여름방학 CERN 연수 1. CERN을가기전에... 3월20일경경기도김영학셈이운영하는과학시간종이울리면홈피에서 CERN 연수공모문서를보고, 한번도전해볼까? 하여서류를만들고메일로접수하였다. 4 월 5 일퇴근시간이자나온반가운문자 2012 CERN 연수대상자로선정되었습니다라는문자가왔다. 아침저녁으로 CNN 방송을틀어놓고영어에관심을가졌다. 5월 19일연수를기점으로입자물리에대하여정보를얻고자료를수집하였다. 빅뱅우주론 LHC" " KBS 우주론영상 bold bbc 우주에대한영상 2011 CERN 연수보고서 먼나라이웃나라스위스편 을읽어보았다. 2. CERN 에서는... 8 월 4 일네덜란드항공 KML 을타고암스테르담을거쳐스위스취

211 리히에도착하였다. 필라투스에올라서는여기가천국이구나하는느낌을받았다. 자연그대로의환경을유지하면서관공지로의개발은지속가능한발전의한형태를볼수있어서좋았다. 8월 5일저녁에 CERN 에도착하여숙소를배정받고제네바에살고있는처남식구들만나스위스생활을이야기하였다. 다음날아침부터시작한입자물리와우주론강의는너무어려웠다. CERN에있는 Alice, Atlas, CMS, LHC-b 등어려운용어와아우빠른영어강의는다시한번어려움을는끼게하였다. 연수중에여러가지시설방문과안개상자실험은입자물리와우주론을이해하는데많은도움이되었다. 3. CERN을다녀와서는... 1) 학생들에게안개상자실험을하게하여입자의세계를안내할수있다. 2) CERN에서찍은 Alice, Atlas, CMS, LHC-b 사진과영상을보여주면서학생들에게입자물리학자의진로를안내할수있다. 3) 전국의훌륭한과학셈들과모임을통하여수업자료및교수법등을공유할수있다.

212 대전과학고노재준 세계최고의연구소를다녀오며 뉴스나과학잡지에서만볼수있었던세계최고의연구소 CERN. 연수를신청하고선정되었을때얼마나기뻤던지. 어디에신청해서선정되어가는것은처음이고, 게다가세계최고의연구소를가게되다니!!! 사전연수에서만나게되었던선생님들과다시인천공항에서만났을때는조금어색함이줄어들긴했다. 잔뜩긴장하고비행기에타서인지, 비행기가내몸에비해작은의자를제공해주서그런지, 너무오랜시간하늘에떠있는것은힘들었다. 그러나, 나중에느꼈던것이었지만 CERN에가서입자물리이론강의를듣는것보다는훨씬덜힘들었다. 연구소가있는제네바로직접가는항공편이없어네덜란드의암스테르담을경유하였다. 경유해서다른곳으로가는경험을처음하였는데, 혹시나네덜란드도구경하는가했더니, 공항안건물안에서잠시기다렸다가환승해서스위스로넘어갔다. 멀리왔는데네덜란드도좀보고했으면... 스위스의취리히에도착하여외곽의깨끗한호텔에하루묶었을때비로소여유를가지며힘든하루 ( 이틀의시간이었지만 ) 의여독을풀수있었다.

213 다음날은일요일이라루체른에있는필라투스산을등반하기로하였다. 옛날예루살렘의총독이었던빌라도의망령이떠돌고있다는전설이있는필라투스 산은어디에서도볼수없는경 [ 필라투스산에서본용구름 ] 관을보여줬다. 올라갈때는케이블카로올라갔고정상에서왕복으로 1시간정도더걸을수있는코스를택해서갔다왔다. 정상에서본용구름은핸드폰배경사진으로저장해놓고있다. 하산은열차를이용하였는데, 세계최고의경사를자랑한다고한다. 아쉽지만스위스의관광은뒤로하고제네바로이동하였다. 제네바에서는저녁식사만하고관광은하지못하였다. 주중에제네바를탐방하는프로그램이있어아쉽지만 CERN으로향했다. CERN에도착하여체크인을하고 1인1실을쓰는기숙사에서며칠간지낼짐을정리하니내가 CERN에온것이맞는지의심이되기도했다. 1인1실을써서그런지, 아님아직도서먹해서그런지같이간선생님들과저녁에모임이없어서아쉽긴하였다. 그것도그날만그랬지만... 월요일부터시작된강의는엄청난강행군이되었다. 우리를이끌어주실친절한 Mick Storr 박사님과의만남부터시작된강의는일주일이정말고될것이란상상을하지못했다. 신선같아보이시던 Ellis 박사님이세계적으로유명하다는것은나중에알게된것이지만, 그다음에이어진김세용교수님강의등등우리가색다른세계에있다는것을실감

214 하게되었다. 입자물리라는학문의어려움이우리를멘붕상태 (?) 로만들기시작한것이다. 일주일을마감하는날에공통적으로느꼈던생각들은우리가가르치는학생들이공부를못하더라도잘해주자는것이다. 하루종일모르는것을듣고있는고통을몸소체험하면서느낀깨달음이라고나할까... Mick Storr 박사님의안개상자실험이나 CERN의곳곳실험실견학이제일우리들의수준에가장잘어울리는것이었을것이다. 저녁에프랑스쪽으로넘어가맥주를한잔하면서선생님들끼리친해지기시작했고, 다음날은아침식사를기숙사에서한식으로만들어먹은일은한민족으로서동질감을확인하는계기다되었다. 너무어려운강의들이스쳐지나가듯이흘러갔고, 저녁을기다리는불쌍한 (?) 학생이된느낌은지금까지살아오면서느끼지못했던경험이었다. 오기전의벅 찬느낌은현실의벽을넘지못 하고있었던것이다. 가끔쉽게 [Geraldine 박사의강연을통역, 설명중인이창환교 수 ] 설명해주시는이창환교수님의설명이가뭄의단비와도같았다. 매일아침 CERN 의곳곳을돌면운동했던기억이난다. 한결같이느낀것은거대한규모와는다르게건물들이창고같이지어져있다는것이다. 실용적인면을더욱신경쓴것이라생각된다. 언젠가는실험실을다시만들고, 다시시작해야하니이쁘고, 아름답게지어야할이유가없는것이다. 유럽사람들특유의실용적인면과독특한면을볼수있었다. 특히, 점심시간에느끼는여유는우리가가지지못한유럽사

215 람들의기질인것같다. 멋진경치를바라보면서많지도않은식사를 1 시간넘게이야기하며먹는모습은삶의모습이어떠해야할지를보여 주는것같다. CERN에서한국인과학자들과도함께할수있었던시간도있었는데, 먼곳까지와서고생하는모습이안쓰러워보이기도했다. 우리나라에도가속기연구소가있어서세계적인연구를할수있는여건이되었으면하는생각이들었다. 앞으로중이온가속기가건설되면조금나아질 것으로기대한다. [ 루소의동상앞에서 ] 중간에 Mick Storr 박사님가준미션을수행하는제네바탐방프로그램이있었다. Mick Storr 박사님이준미션은나중에보니제네바의중요한역사적관광지였다. 그곳에서루소나피아제가프랑스사람이아닌스위스사람이었다는것을알게되었다. 저녁에는 CERN에서제공해준제네바식당에서의식사는여러가지음식을맛볼수있는기회였다. 특히, 뽕듀의청국장맛은아직도잊혀지지않는다.

216 연수가어떻게지나갔는지모르게일주일지났고, 한국으로돌아오는시간이가까워왔다. 돌아오는길에스위스연방공과대학을방문했고, 취리히에서열리는거리페스티벌도참가하였다. 저녁에는올림픽축구 3~4위전을열정적으로응원하여동메달을따는모습도같이지켜봤다. 밤늦게뜻이맞는동지들과취리히시내에서의한잔은먼추억으로남는다. 세계최고의연구소에서물리라는학문의어려움을더욱느끼고왔지만, 그것이우리에게주어진미션이된것같다. 학문적으로어렵고, 들어가는비용이천문학적이지만, 인류에게주어진진리에대한호기심을충족시키기에는너무부족한것이다. 이런것을떠나우리나라에도이런기초과학을연구하는기관이나인프라가절실하다는것을느끼고, 우리에게주어진사명감은더욱많은과학을하는사람을키워내는것이라고새삼느끼고왔다.

217 청주고등학교연제근 얘들아! 나 CERN 갔다왔다! 아이들은꿈을먹고자라고또그꿈의크기만큼이루어낸다고한다. 지난교직생활을돌이켜보면아이들에게있어꿈은이상이고현실은나의꿈과진로보다는당장의입시위주의문제풀이가입시공부만을하는아이들에게교과시간이나동아리활동을통해또다른초물리의세계를알려주고싶었다. 전국에서 20여명을대상으로세계최고, 최대의입자물리학연구소인 CERN 에서국외연수가있다는공문을보고혹시나하는마음으로지원하였는데뜻밖에선발되는영광과행운을얻었다. 얘들아나 CERN 간다. 갔다와서첨단물리의세계를보여줄께 출국날짜가되고공항에도착하니처음보는선생님들과어색하고반가운인사를나누고일정이시작되었다. 암스테르담을거쳐취리히에도착하는 14시간의여정속에천안에서온동갑내기윤석오선생님과얘기를나누다보니그분의다정다감하고순박한인품으로금새오랜지기처럼친해졌다. 더군다나일정동안한방의옆지기로지내게됐으니여간고마운일이아니다. 첫일정으로필라투스산을올랐는데케

218 이블카를타고, 걷고, 기차를타면서아름답고색다른풍경에감탄사와맘껏만끽해보았다. 일요일오후드디어우리의목표인 CERN에도착했다, 둥근커다란지구모양의조형건축물을주변으로공장같이들어선수많은건물들그리고그주변으로농장이펼쳐진전원적인풍경들은세계최고, 세계최대규모인첨단연구소로내가기대했던모습과는사뭇다랐다. 하지만그어마어마한시설들이땅속 100m 깊이에 27Km 길이로숨겨져있다니놀라운일이아닐수없었다. 숙소에짐을풀고월요일부터시작되는연수일정에설레임과기대감으로준비했다. 연수첫날, 강의내용이그간나의관심과이해가부족했던분야인입자물리학이라고전을예상했지만역시다게다가강의를프랑스, 독일교수님들이나라별특유의억양으로영어로해주시니곧바로나의하드웨어가과부하가걸릴수밖에ㅠ. ㅠ. 모르면적으라고했던가? 강의와견학때마다무조건적었다그리고사진으로찍어두었다. 모르는것도여러번듣다보니아는것같아지기도하고희미하지만나름개념간의연결도되고자욱한안개가살짝살짝걷히는느낌도들었다. 하여튼연수하는동안나의하드웨어는내내과부하여서끊었던담배도물게되었고밤마다준비해간관련서적을뒤적여보느라눈알이빨개지기도했다. 다행히과부하가심하다싶을때쯤이면제네바시내튜어와같은프로그램을안배해주셔서무사히마칠수있었던거같다. 레만호수와어우러져그윽한그림같은풍경을간직한제네바에서주어진미션수행을하다보니좀더깊이있게제네바를바라보게되었다. 같은 1조샘들, 정말고맙고즐거웠어요. 같이나눠먹은그살구맛

219 과함께그대들이그리워진다오. 그후로도 CERN의발전역사, 그와함께더불어발전해온컴퓨터시스템실, 입자가속기의일부분등을돌아보고과학의비젼과미래, 우주의비밀의실마리를더듬어보았다. 연수를마치고귀국전날돌아본취리히거리축제를둘어보았다. 스스럼없이자기를드러내고함께즐길줄아는그들의열정과뜨거운가슴이참으로부러웠다. 일정을마치고귀국하는내내나를돌이켜보았다. 연수전에는그간과학중점과정을맡아힘들고지쳐이젠조금내려놓고싶었다. 하지만연수기간동안나보다도더한어려움속에서도끊임없이뜨거운교육적열정을불태우는분들과함께하다보니다시금내아이들의꿈과미래를위한작은디딤돌로아낌없이던져보리라는마음을다져보게되었다. 끝으로저에게의미로운기회를베풀어주신창의재단과부산대이창희교수님, 그리고함께한선생님들여러분께진심으로감사를드린다.

220 전북사범대부설고등학교황문규 선생님! 스위스에서반물질가져오셨어요? 알프스의나라스위스, 평화의상징적십자본부제네바근교의메랭에첨단기술과과학이응집되어원자핵과우주를바라보는유럽입자물리연구소 CERN이있다. 2012년봄한국과학문화재단에서공모한중등교원국제연구기관연수대상자 30명의명단에내이름이있었다. 그리고 8월에는 CERN에서 1주일을보냈다. 원자핵의내부를들여다보면서... 원자핵내부에서는무슨일이일어나고있을까? 핵자들사이에서새롭게탄생했다가사라지는수많은입자들, 거대한우주의드라마빅뱅, 블랙홀과암흑물질등끝없는호기심에대한답이그곳에있었다. CERN은원자핵의내부를보기위하여다양한가속기들을연결하여작동시키고있다. 최종단계인 LHC에서는반대방향으로가속된 2개의원자핵을 4곳의검출기 (ATLAS, ALICE, CMS, LHC-b) 에서충돌시키는데, 2개의원자핵이충돌하면엉뚱하게도 2개가훨씬넘는핵자들이튀어나온다. 이현상을몇단계의분석과정을거쳐알아낸것은핵자들은쿼크와글루온등기본입자들로구성되어있다는것과이기본입자들은진공속에서수시로탄생과소멸을반복한다는것이다. 그

221 리고이러한일들이저밤하늘의공간에서도끊임없이일어나고있다는사실이다. CERN에는전세계회원국들의지원과과학자들의참여하에공동연구를진행하고있는데, 아쉽게도우리는옵서버국가라고한다. 점심시간이되면 CERN의식당내부는물론파라솔이설치된외부의간이테이블에까지상주인원 3천여명, 우리처럼단기체류자를포함하면 8천여명이식사를하기위하여모여드는국제적인장소였다. 우리학생들에게는최근언론에서언급된힉스와미니블랙홀, 반입자등호기심을자극하던 CERN이이제는우리선생님이다녀온현실의장소가되었으며도전가능한미래가가되었다. 포항방사광가속기를비롯하여양성자가속기, 중이온가속기등첨단분야에대한연속적인도약이이루어지고있는상황에서미래의주인공들에게첨단분야에대한목표와비전을제시할수있는영향력있는교사가된것이자랑스럽다. 스위스는강대국에둘러싸인작은다민족연방국가로서, 4 개어를공용어로사용하고있어서외국어교육을중요시하며, 초중학교에서는노작중심의체험활동수업이이루어진다. 중학교

222 졸업생 2/3 정도는직업세계나다양하게특성화된실업학교에진학하여전문인 ( 취업및전문대학 ) 의길을선택을하며, 나머지 1/3 정도만이인문학교를거쳐대학교에진학한다. 취리히연방공대에서의브리핑과현지체험을통하여확인한스위스의교육을우리의교육제도및현실과비교해볼수있는좋은기회였다. 연수단을인솔하신이창환교수님의이야기대로 20명의개성이뚜렷하면서도잘어울리는, 능력이출중하신선생님들과함께하면서열성과품성을보고배운것도큰소득이었다. * 제목은귀국후처음본학생들이한질문이다. 스위스에서가져온초콜릿을나눠주면서대답했다. 그래! 이속에서끊임없이물질과반물질이생성과소멸을하고있다고.

223 수완고등학교김태익 CERN 연수소감문 기대하던 CERN 연수를다녀왔습니다. 교직생활중처음으로지명받은해외연수인지라더욱기대가컸습니다. 사실 CERN과저는한번의인연이있었습니다. 20여년전대학원재학시절지도교수가참여하고있던국제공동연구의연구보조인력으로실험기기를설계하고제작하여 CERN연구그룹에기기의작동법과설치를위하여방문한적이있습니다. 군제대하고며칠만에복학하여기기설계며제작그리고모형제작등을의뢰받아몇날며칠을실험실에서밤을지새웠던기억이새롭습니다. 3개월가량의설계와제작을마치고실험기기를제작하여드디어 CERN에도착하여서투른영어로기기사용법과예비실험결과를발표하였으며질문을받는시간에는잘알아듣지못하는영어때문에시행착오를여러차례겪기도한기억이이번연수를떠나기전추억처럼떠오르기도하였습니다. 연수명단이확정되고연수가영어로진행된다는정보에걱정이앞서기도했으나동행하는지도교수님이필요할경우통역을하신다는전언에안심이되었습니다. 또한사전연수에서는 빅뱅우주론강의 의저

224 자이석형교수와연수단지도교수이신부산대물리학과이창환교수의입자물리학강의그리고 CMS 한국그룹의대표인서울시립대박인규교수의 CERN소개를들으면서 CERN 과입자물리학에대한개략적인배경지식을습득할수있어유익하였습니다. 현지연수에서는이론적인배경지식이빈약한탓에이론강의는이해하기어려운부분도있었지만대부분의연수가 CERN의가속기와검출기실험과관련된강의와견학으로짜여있어큰어려움없이연수를이수할수있었습니다. 지난 7월초전세계에발표된힉스입자의징후발견이후, 더많은데이터를수집하기위해지하 100m에있는가속기가계속가동중이어서작년연수팀과달리지하가속기시설과검출기는직접견학하지못한점은아쉬움으로남아있습니다. 그러나 ALICE, CMS 검출기의컨트롤룸에서마침근무중인한국인연구진으로부터자세한브리핑을받을수있는행운을누리기도하였습니다. 컴퓨터센터에서는월드와이드웹 (www) 의창시자에대한이야기와함께초창기대용량컴퓨터부터현재사용하고있는컴퓨터의역사를보았으며, 선형및원형가속기센터에서는과거가속기부터현재까지발달과정을한눈에볼수있었다. 또한초창기시설을지금도가동하여이용하고있다는사실이놀라울뿐이었습니다. 전국에서모이신선생님들은새로운상황에서하나라도더배우려는의지로적극적인태도로연수에임하셨고, 인품과학식을고루갖추고있는분들이어서연수에임하는저에게더열심히배우고연구하여야겠다는생각을하게한또다른배움거리를제공해주었습니다. CERN 강사들의강의자세또한연수내내신선한자극이었습니다. 특히적지

225 않은나이임에도열정적으로연수의전과정을이끌어주신 K. M. Storr 교수의모습은오래도록가슴에남을듯합니다. 또한입자물리학이론이어려워이해하려생각지도않았던문제들을최대한쉽게설명해주셨던이창환교수님의웃음띤강의는고수의또다른경지를보는듯하여오래도록기억에남을것같습니다. 그리고지하 90m 지하콘트롤룸에서각종기계의소음과외로움에도아랑곳하지않고 24 시간 3교대의근무와연구에몰입하고있었던이름모를연구자의뒷모습은제게가장큰울림이었습니다. 이모든것들을보고느끼고생각할수있도록기회를주신것에감사드리며저또한교실의학생들에게조금이라도울림을줄수있는강의를하기위해교실로향합니다.

226 영광여자고등학교문영하 CERN 에서자유로이노닐다 내가 CERN을가고자하는이유중하나는나의꿈목록에들어있는지역청소년들을위한과학관을건립하고자하는이유다. 자연과함께숨쉴수있는 숲속의아름다운영주과학관 건립을위해서유럽의 CERN을볼수있는기회를가져보기위해서다. 올해과학관로드맵을완성하여시민공청회를열기위해서많은자료도수집하고직접선진국의사례를탐방하여벤치마킹을하기위해서나는CERN에꼭가야한다. 교직생활을마친후우리가준비하고만든영주과학관에서과학동료들과자원봉사를하며학생들에게과학에대한꿈과희망을심어주고싶다. 그길에 CERN이있다. < 연수신청서자기소개서글중에서 > 우선 2012년중등교사국제연수기관연수를통해유럽핵입자물리연구소를탐방하는영광스러운기회를주신하나님의무한한은혜에깊이감사드린다. 여러모로부족한점이많은나에게현대물리학의최전선을둘러본시간은삶의진일보를가져온소중한경험이었다. 학교업무처리와연수준비로정신없이바쁜시간을보낸후이창환교수님을비롯하여 20 명의선생님들과함께암스테르담행비행기에몸을실을수있었다. 스위스취리히에서의첫날, 우리일행은루체른의필라투스정상에올랐다. 그곳에서바라본스위스의아름다운자연경관은나를매료시키기에충분했다. 거기서처음접해본산악열차에

227 서나는온통새로운과학교육에대한기대와설렘에흥분을감출수없었다. 제네바시외에있는 CERN 연구소에여장을풀고본격적인일정이시작되었다. Mick 교수님의안내로우리는여러교수님들의강연을듣는동시에 CMS, GLOVE, ALICE, COMPUTER CENTRE 등여러시설들을방문할수있었다. 최신의현대물리학을배우는매순간순간이너무나소중했고지나가는시간들이짧게만느껴졌다. 영어로진행되는수업을따라가는일이녹록치는않았지만다행히주위여러동료선생님들과교수님의도움으로연수일정을따라가는데큰무리는없었다. 연수를들으며그동안바쁜교직생활과일상에지쳐물리학의새로운내용들을익히는데게을렀던나자신을반성할수있었다. 현재의자신에게만족하며매너리즘에젖어들었던그동안의내모습이부끄러웠다. 연수가끝나고귀국하면새로개척된물리학의영역들을새롭게공부하며체계적으로정리하는시간을가져야겠다고다짐했다. 내가알게된새로운지식들을바탕으로학생들에게보다생생한현대물리학의세계를보여주고싶다는생각에교직에대한열정이새롭게불타오르는듯했다. 또한연수를통해알게된내용들을현재경상북도교육청과협력하여진행하고있는사제동행캠프 ( 경상북도교육청주관 ) 와창의성과학캠프 ( 영주과학교사모임 ) 의여러교육프로그램에반영하여, 현대물리학에대한학생들의이해와관심을증진하는데긴요하게활용할수있도록지속적으로노력할것이다.

228 < 연수를통하여 > 1. CERN에서의마지막날, MICK 교수님이가져오신기타로이국땅에서다함께아리랑을불렀던시간들은너무나아름다운기억으로남아있습니다. 이창환교수님의기타소리와황문규선생님의단소소리가어우러진그날의연주는우리가자랑스러운한국인임을느끼게했습니다. 2. CERN 에서연구하는 30 여명의대한민국박사님들과의만남은 향후학생들에게글로벌마인드와대한민국과학의역량를알리는데 에많은도움이될것이라생각합니다. 3. 자전거를타고취리히의시내를돌며바라본도시와자연의전경은잊을수없을만큼아름다웠습니다. 또한스위스퍼레이드에참가하여큰즐거움을느끼게해주신회장님께도감사드립니다. 이연수에참석한이제승회장님, 전찬희총무님, 김상협샘, 윤석오샘, 노재준샘, 황상연샘, 김명하샘, 김태익샘, 임정욱샘, 신동선샘, 김용순샘, 강계숙샘, 정희숙샘, 강버들샘, 이소정샘, 연제근샘, 신명석샘, 노희진샘, 황문규샘, 그리고이창환교수님. 함께한모든분들과의행복한시간은제삶의크나큰은총이었습니다.

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230 대구여자고등학교김용순 아인슈타인을넘어 가난을신의노여움정도로여기는나라, 근면과정직이국민성인나 라, 2,000m 높이의산이우리나라뒷산정도로많은나라스위스에현 대물리학의허브인 CERN 이있다. 틈틈이접한자료들이던져준물음표는 CERN으로통하고있었고, CERN에가면얼추머리가맑아지리라믿었었다. 힉스비슷한입자의존재를확인했다는 7월 4일자소식은 CERN 연수의의미를더욱값지게해주었다. 5월 19일사전교육때, 개별사전준비로힉스입자를공부하겠다던예비신부의각오를듣고이번연수가매우학구적일것이란생각에겁을먹었었다. 이런저런걱정으로나날을뒤척이다도착한필라투스! 아름답고가슴을뻥뚫리게하는산이다. 신의영지를걸으며짧은시간이나마사

231 색에잠기고픈마음은워낭소리때문에접었지만내려오는길내내 알퐁스도데의별 을떠올리며목동은밤에도산에머무는지, 목동이내려가면저소들을누가키우는지, 별별걱정을하며산악궤도열차에아쉬움을실었다. 루체른을남겨두고 CERN으로가는길에현옥누님이들려준한계령이아련하다. 제일먼저나를맞이해준것은 CERN 의상징인글로버 (The Globe) 였다. 숙소로들어서서덩그러니놓인싱글침대를바라보며살짝걱정이스쳐갔지만지친몸을추슬러야한다는본능이모든것을뿌리치고잠으로인도하였다. Mick Storr 교수님의천진난만한대머리를감상하며연수에임했지만설마했던걱정이현실이되어심장박동수는조절이안되고, 머릿속은점점더하얗게변해가는것같았다. 다행히짝지태익샘덕택에평온을찾아열심히연수에임할수있었다. 대단한연사님들의충실한강연내용을거의이해하지못해열심히필기하였고, 강연이끝나면고수님들에게가르침과조언을구했다. 정말고맙게생각한다. 그곳에서들은값진내용들을두고두고되새김질하며필요한날이오면빛바랜메신저라도되고싶다. 현실부정에서출발하여라그랑지안이라는수학적도구로단순함을쫓아가는현대물리학이정의하는 공간 을이해하는데는철학적사고가필요한것같기도하다. 존재하나변화만이인식가능한것. 모든것을하나의원리로설명하고싶은인간의의지와공존을거부

232 하는중력사이에잉태된힉스입자와낯선여분차원들. 비유는비유일뿐. 함께했던많은순간들을오랫동안간직하고싶다. 귀가있어도들을수없었던넓은강의실에너무존경하고싶은교수님과열아홉의동료가있어덜무서웠고, 국경을넘어프랑스식당에서맥주와피자를먹을때도너무행복했다. 쥬라산실루엣을뒤로하고스위스로돌아오는길은너무나낭만적이고포근했다. CERN을떠나기전날믹박사님과함께한시간은잊을수없다. 몽블랑과믹박사님의머리가얼추비슷하다는생각을하고애써웃음을참았다. 그날, 불렀다기보단읊조렸던 광화문연가 를흥얼거릴때면함께했던소중한사람들의얼굴이하나하나떠오른다. 아름다움과낭만을노래했다고공부를게을리한건아니다. 물리교사로서고민해야할몇가지과제도안고돌아왔다. 살아서돌아오라고아내보다더각별히각종비상약품을꼼꼼히챙겨주신우리학교보건선생님과질과양이만족스러운연수를받게해주신재단관계자분께감사의말씀을전하고싶다.

233 신정고등학교강버들 벌써그리운 CERN 서먹서먹했던김포공항에서의출발 2. 암스테르담공항을지나..

234 3. 어디선가하이디가뛰어나올것만같은아름다운알프스의풍경 을뒤로한채 CERN 입성

235 4. 계속되는공부... 그래도웃으면서힉스 실험... Cosmic ray

236 6. 현장체험도즐겁게...

237 호수에는물만있는것이아닙니다. 하늘에는구름만이는것이아닙니다.. 제가슴속에는제마음만있는것이아니라여러분들이있습니다. 그대들로인하여 2012년 8월은진정행복하였습니다. 아시죠? 해당화...

238 양운중학교정희숙 짧지만강렬한 CERN 연수 ~~ 지난 7월유럽핵입자물리연구소 (CERN) 는 우주를이루는기본입자들에질량을부여하는힉스입자로추정되는새로운입자를발견하였다 고발표하며과학계를떠들썩하게하였다. 그 7월에우리는그역사적인장소인 CERN을방문할기회를가졌다. 20명의선생님들그리고이창환교수님, 이렇게 21명의연수단은꿈에그리던스위스로출발하였다. 도착한연구소는대학캠퍼스를보는듯하였다. 세계각국에서온많은연구원들과함께생활하며지내던일주일은강의의감동과더불어연구에대한열정을나의가슴속에새겼다. 알아듣기어려운영어수업을명쾌히해석해주시던이창환교수님의명강의, 언어의걸림돌을뛰어넘어그감동이전해지던입자물리학교수님들의명강의, 이론을체득할수있었던연구소견학, 그리고무엇보다좋았던스위스제네바현지를체험하는미션그리고취리히공대..!! 이미연수가끝난지금그때의기억과추억이가슴속에진하게새겨져아이들과나의과학에대한열정을불러일으키고있다.

239 연수가마친지금어떻게든그때의흥분과감동을잊지않으려고그리고조금이라도그흥분을학생들에게전달하고자수업중자투리시간을할애하여소립자, 빅뱅, 힉스보존, 표준모델등에대해늘어놓는다. 부러워하는아이들에게 너희들이그연구소에서연구하고있을모습을기대한다 고하며학생들의가슴에작은불씨하나던져본다. 짧지만강렬했던연수를뒤돌아보며함께했던사람들과흥분하며공부하던그때가마냥그립다. 연수에대한그리움은많은배움과멋진풍경에서만오는것은아닌듯하다. 함께했던사람들이그립고보고싶을때그연수의감흥은더욱클것이다. 멋진매력과개성빼어난실력을지닌 20명의선생님과교수님... 그들에대해좀더알아가고싶고, 한번더그들과배움을함께하고싶은마음이연수의가장큰소득인것같다. CERN에서들리지않는영어를들으려고귀를기울이고, 시차에적응하지못해가물거리는눈에힘을주고뜨려할때, 어려운수식과함께등장한최신이론등을이해하려고애쓸때든든한동료선생님들과교수님이있어아무런걱정이되지않았다. 이것저것물어보며의문이하나씩풀릴때마다물리학자들의상상력과노력에경의를표하며하나도놓치지않으려고무진장노력을했다. 내가배운내용을어떻게학교에가서쉽게풀어학생들에게알려줄까? 라고생각하며, 미래의아인슈타인이우리나라에서나오길기대하며, 혼신의힘을다해배우고자노력하였던것같다. 이번연수의마무리는바로이러한배움을나누는것일것이다. 그리고그러한나눔에연수에함께했던선생님들이함께할수있다면더욱좋을것이다. 지속적으로다시만날것을희

240 망하며또한교과부에서계속적인배움의기회를제공할것을기대하며이글을마무리하려한다. 글을닫기전에우리를이끌어주셨던이창환교수님의자상하신모습과명쾌한설명들에감사드리고유쾌한 Mick 교수님에게도감사드리고싶다.

241 경남과학고신동선 CERN 연수를다녀와서... 우리가우주에대해아는것은, 거의아무것도모른다는것이다. - 이석영 2012년 3 월중등교원국제연구기관연수에대한공문을우연찮게보게되었다. 불과몇분동안아주많은생각을하고결정을했다. 연수가너무끌려서그때부터지원서를쓰게되었고결국선정이되었다. 나의바램은한가지였다. 이런곳에가면얼마나좋을까? 교사의경험은학생지도에가장큰힘을갖는무기라고생각한다. 과학고에발령받고고급화학책을펼치는순간제일첫장둘째페이지에있던 CERN의사진은 2년이지난지금까지내머릿속에잊혀지지않는다. 인천공항에서 10시간넘게걸려도착한스위스, 정말멋진풍경들을경험할수있었다. 일정관계로융프라우에가지못하고필라투스에도착했다. 한국에서는볼수없었던멋진풍경, 산자락에울려퍼지는청량하고묵직한워낭소리에여기가스위스라는사실을실감할수있었다. 앞으로어떤신기하고즐거운일들이일어날지들뜬마음에어디를봐도절로감탄사를남발한게아닌가싶다. 아름다운풍경을뒤로하고제네바에있는 CERN으로향했다. 버스로 4시간넘게걸려도착한 CERN의첫인상은그렇게놀랍지도신기

242 하지도않았다. 기숙사처럼보이는 CERN연구소내의숙소에짐을풀면서멋진호텔을기대했던나자신에한없이부끄러울정도였다. 침대, 옷장, 욕실, 그리고책상. 여기는연구하는곳이구나! 그렇게나자신에게되물으면서다음날있을신기한일들에대해상상하면서잠을청했다. 시차적응의문제때문에새벽같이잠을깨시간도보낼겸연구소를둘러보았다. 대학의캠퍼스같은연구소를둘러보면서여기가어떤곳인지도대체무엇을위해서이많은사람들이존재하는지궁금했다. 적응되지않는아침을먹고 Mick Storr 박사님을따라강의실로들어갔다. 여기서부터나와의싸움이시작되었다. 모든강의는영어로이루어졌고 ( 물론한국교수님들의강의는아니었지만...) 그것을알아듣기위해서영어단어를검색해가면서열심히강의를들었다. 하지만단어만안다고, 영어를알아듣는다고다아는것은아니었다. 대부분우주론과입자물리와관계되는강의였으므로화학교사로사전지식이별로없었던나로써는모르는게어쩌면당연한것이라고애써변명했다. 첫날에는 CERN에대한소개와입자물리학에대한내용을오전에듣고오후에는 Globe 방문과안개상자실험을했다. CERN 정문에있던 Globe 는입자가속기에대한시각적인내용으로일반인들도쉽게이해할수있도록만들어놓은전시관이었다. 하지만그것보다도실제우리주변에서관찰하기힘든우주선을관찰할수있었던안개상자실험이이번연수를통틀어가장인상깊었다. 물론실험에대한이야기는많이들었지만실제로실험을해보니너무신기했다. 우리가우주여행을쉽게가기힘든것도다우주선때문이라는사실에놀라기도했

243 다. 다음에기회가되면학생들에게꼭경험하게하고싶은실험이었다. 이튿날인 7일에는검출기중하나인 CMS에대해강의를듣고직접 CMS에방문을했다. 입자가충돌하면그정보들이 CMS에기록되고그것으로여러가지입자들을밝혀낸다. 검출기의원리에대해강의를들을때는 뭐그렇겠지 정도였지만실제로현장에서 CMS에대해보고느낀것은 대단하다 라는것이었다. 다음날에도중이온검출기인 ALICE에대한이론과방문을하는일정이었다. 멋진교수님의강의를듣고방문을했지만지금실험중이라위험한관계로전시관만둘러보는것으로만족해야했다. 물론가속기와검출기가있는곳까지가는것이효과가더크겠지만그것보다는목숨이더중요하니까... 오후에는제네바시내에서미션을수행하는일정이었다. 사전연수때작년에연수받으신선생님이말씀하시던그미션, 연구소를조별로알아서벗어나제네바시내를활보하는느낌은제대로흥미로웠다. 머릿속에들어있던힉스와여러입자들이이날오후에는깨끗이없어진느낌이라고나할까? 이미션덕분에제네바시내를마음껏구경할수있었다. 마지막일정이 GRID Computing 시스템과관련된 Computer Centre에방문하는것이었다. 세계최초라는수식어가아깝지않은 CERN의컴퓨터시스템은충분히귀감이되었다. 지금은더많은컴퓨터를설치하기위해증축공사가진행되고있었다. 항상미래를대비해서앞서가는모습이보기좋았다.

244 CERN에서의일주일은생각보다너무짧았다. 아쉬운마음에마지막 CERN의밤을선생님들, Storr 박사님과함께담소를나누면서보냈다. 다시는오기힘들것같은연구소에서의밤은아마교직이끝날때까지기억에남겨질것같다. 8박 10일의연수에서결국내가얻은결론은이석영교수님의결론과다를것이없었다. 하지만한가지차이나는것은있다. 우리가우주에대해알기위해엄청난노력을한다는것이다. 과학교사로써이연수는나에게너무좋은경험이었던것같다. 책으로만보던내용들을직접보고느낄수있어서현장감있게학생들에게이야기할수있을것같다. 내가원래부터생각했던교육은이런것이다. 막연하게 그렇게된다 가아니라 이래서이렇다 가훨씬학생들에게와닿지않을까? 앞으로이런기회들이우리나라의모든과학교사들에게주어져서학생들이더큰꿈을키울수있도록도와주는계기가되었으면한다. 오늘도웃으면서 힉 ~ 스 ~

245 세화중학교강계숙 우주의존재와탄생그비밀앞에서... 무슨 SF 공상과학영화의제목도아니고 도를아십니까? 에대한대답이나제법세상이치를깨닫고자가부좌하고앉아눈을지그시감은깨달음을구하는자의화두도아니다. 스위스와프랑스에걸쳐 27Km 원주를가진입자충돌실험을통해우주탄생과정과우주를구성하는물질에관해아직도풀리지않고있는수수깨끼를해결하기위한 CERN( 유럽입자물리연구소 ) 연수내내머리속에서맴돌던 23년경력과학교사의화두이다. 20년넘게과학을가르치면서자연현상이보여주는여일한답, 늘일정한방향으로고개돌리게하고끄덕거리게하는답이있었다면한곳에뭉쳐있는에너지는반드시풀어헤쳐져서평형을이루고자한다는것이다. 평형을이룰때비로소고요해지고안정이온다. 그고요한안정상태를위해바람도불고번개도치고태풍도일어나며높은곳에있

246 는물체는받침이사라지는순간지구중심을향해낙하하거나물이흐르게도하고산사태를일으키기도하는난리법석이나는것이다. 지진과화산활동도다름아니고태양계의모든천체들도또한일찍이자리잡은평형속에서안정을유지하면서그규칙적인움직임을보여주고있는것이다. 균형이깨지는순간변화는오게되어있다. 그런데내내머릿속을두드리는의문은왜아무것도없는태초의빈공간에서도대체무슨힘이빈공간의평형을깨고알갱이를만들어내고에너지를만들어내고우주를만들어냈을까... 하는숙제였다. 학생들에게과학을가르치는것은지식수준에맞는과학적개념과탐구능력, 나아가서과학적지식과탐구능력을바탕으로문제해결을해낼수있는소양을길러주기위함이다. 따라서우선당장삶을좌지우지할리없는우주탄생과정에대한풀리지않는과제를머리맞대고고심해야할필요는구지없을지도모른다. 하지만크게보면우주탄생에서물질 ( 소립자 ) 의탄생, 그비밀을푸는것은물질로이루어진우리자신이어디에서왔는지를푸는것과같으므로과학이면서동시에철학이고종교일수도있는다양한면의탐구과제이다. 때로과학은만유인력의법칙을계산을통해해석하거나나로서는아직도이해할수없는라그랑지안함수를가지고상대론적역학이나전자기장의현상을적확하게풀어낼수도있겠지만그보다더어린학생들이나, 계산없이도자연현상을이해하고자하는사람들에게스토리텔링을통해그본성을설명해줄수도있어야한다고내내생각해왔기때문에이번연수가도움이될거라는기대가참컸었다. 물리교육전공선생님들은학문적접근이가장큰도움이되었겠지

247 만사실지구과학교육전공인내입장에서는대학재학때도미적분이나천체역학에서처절한 60점을기록했던전과때문에눈알뱅뱅돌아가는공식이나알아듣기힘든방정식에대한이해는접근불가의신성불가침영역이었기때문에내게허락된접근영역은조금다를수밖에없었다. 그럼과연숙제는풀었느냐... 연수를마치고현지에서연수평가서를쓰면서이번연수를세가지단어로표현하라고하기에 Exellent, Difficult, Mystery 라고써서냈다. 한가지깨달은것은내가가진우주탄생에서의몇가지의문은지극히 3차원적사고의산물이었다는것과따라서다른차원에서해결하지않으면안된다는것이었다. 아이들에게는또다시 상상할수없는것까지상상하라! 고대신검증이불가한것으로까지가면그것은과학이아니고공상에불과하다는것을잊지말라고하겠지. 하지만속으로는중얼거릴것같다. 공상의미래형은늘 [ 현실가능 ] 이었으므로가능한모든상상을다해도넘치지않아... 라며. 이로써이번연수는그외의모든평가는다른선생님들의소감에맡기고한마디로정의한다면. [ 대! 박!].

248 과학교사국외연구기관연수 CERN 연수단 경기고색고등학교이제승서울여의도중학교신명석서울구룡중학교이소정서울미양고등학교임정욱경기안산고등학교김명하경기화홍중학교김상협경기범박고등학교전찬희인천청라고등학교노희진강원강릉여자고등학교황상연충남천안북중학교윤석오대전대전과학고등학교노재준충북청주고등학교연제근전북전북대학교사범대학부설고등학교황문규광주수완고등학교김태익