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잭 스타인버거

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1. 개요

잭 스타인버거는 독일 출신의 미국 물리학자로, 1988년 뮤온 중성미자의 발견을 통해 렙톤의 이중 구조를 밝힌 공로로 레온 레더먼, 멜빈 슈워츠와 함께 노벨 물리학상을 수상했다. 그는 1921년 독일에서 태어나 나치의 반유대주의를 피해 미국으로 이주하여 시카고 대학교에서 화학 학위를, 매사추세츠 공과대학교에서 물리학을 공부했다. 이후 컬럼비아 대학교와 CERN에서 연구를 수행하며 중성 파이온, 뮤온 중성미자, CP 대칭성 깨짐 등 입자물리학 분야에서 중요한 업적을 남겼다. 1960년대에는 CERN의 부서장으로, 1986년에는 이탈리아 피사 고등사범학교 교수로 활동했으며, 2020년 99세의 나이로 사망했다.

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잭 스타인버거
기본 정보
이름Jack Steinberger (잭 스타인버거)
출생 이름Hans Jakob Steinberger (한스 야코프 슈타인버거)
출생일1921년 5월 25일
출생지독일 바이에른주 바트키싱겐
사망일2020년 12월 12일
사망지스위스 제네바
국적미국
민족독일계 미국인
학력 및 경력
직장캘리포니아 대학교 버클리
컬럼비아 대학교
CERN
학문 지도 교수에드워드 텔러
엔리코 페르미
교육시카고 대학교
박사 학위 논문 제목중간자 붕괴에서 전자의 범위에 관하여
박사 학위 논문 URLhttp://pi.lib.uchicago.edu/1001/cat/bib/4284248
박사 학위 취득 년도1949년
주목할 만한 제자멜빈 슈워츠
에릭 L. 슈워츠
테오도르 모디스
데이비드 R. 니그렌
업적
알려진 업적뮤온 중성미자 발견
연구 분야입자 물리학
수상
수상노벨 물리학상 (1988년)
국가 과학 훈장 (1988년)
마테우치 메달 (1990년)
가족
배우자신시아 알프, 조안 보르가르 (1920-2009)
자녀조셉
네드
줄리아
기타
슈타인버거
2008년의 슈타인버거
로마자 표기Jakku Shutainbāgā (일본어 표기 기준)

2. 생애

1921년 독일 바트 키싱엔에서 태어난 스타인버거는 나치의 박해를 피해 13세에 미국으로 이주했다. 시카고 대학교에서 화학 학위를 받았고, 제2차 세계 대전 중에는 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서 레이더 연구에 참여하며 물리학을 공부했다. 종전 후 시카고 대학교에서 엔리코 페르미의 지도 하에 물리학 박사 학위를 받았다.[48] 1968년 CERN 연구소장이 되었고, 1986년 은퇴하였다. 2020년 제네바에서 숙환으로 별세하였다.[9]

2. 1. 어린 시절과 교육

1921년 5월 25일 독일 바이에른주 바트 키싱엔에서 유대인 가정의 아들로 태어났다.[6] [9] 아버지 루드비히 라자루스는 성가대 지휘자이자 종교 교사였고, 어머니는 베르타 메이 슈타인버거였다.[7][8]

독일에서 나치당이 부상하고 반유대주의가 공공연해지자, 그의 부모는 그를 국외로 보내기로 결정했다.[9] 13세에 형 허버트와 함께 대서양을 건너 미국으로 이민을 갔다. 미국의 유대인 자선 단체들의 주선으로 바넷 패롤이 그를 양자로 돌보게 되었다. 일리노이주 위넷카에 있는 뉴 트라이어 타운십 고등학교에 다녔다.[10] 1938년 부모님과 남동생과 재회했다.[7]

아머 공과대학(현 일리노이 공과대학교)에서 화학 공학을 공부했지만, 장학금이 끝난 후 가계를 돕기 위해 중퇴했다.[9] 1942년 시카고 대학교에서 화학 학사 학위를 받았다.[9] 그 직후 MIT에 있는 미국 육군 통신병과에 합류했다.[11] G.I. 법안의 도움으로 1946년 시카고 대학교로 돌아와 대학원 과정을 이수했으며, 에드워드 텔러엔리코 페르미 밑에서 공부했다.[9][7] 박사 학위 논문은 뮤온 붕괴에서 방출되는 전자의 에너지 스펙트럼에 관한 것이었는데, 이 연구 결과는 3체 붕괴이며 붕괴 과정에 두 개의 중성 입자가 관여한다는 것을 보여주었다(나중에 전자 중성미자(electron neutrino영어)(\nu_e)와 뮤온 중성미자(muon neutrino영어)(\nu_\mu)로 확인됨).[12]

2. 2. 초기 연구 활동

박사 학위를 받은 후, 슈타인버거는 1년 동안 고등연구소에서 프린스턴에 머물렀다. 1949년 그는 중성 파이온의 수명을 계산한 논문을 발표했는데,[13] 이는 양자장론의 이상 현상 연구를 예측한 것이었다.[14]

1949년, 슈타인버거는 캘리포니아 대학교 버클리의 방사선 연구소로 갔다. 그는 그곳에서 330 MeV 싱크로트론과 새로 발명된 신틸레이션 계수기를 이용하여[15] 중성 파이온의 생성과 광자 쌍으로의 붕괴를 실험적으로 증명했다. 1950년 소위 반공 선서(non-Communist Oath)에 서명하기를 거부했기 때문에 버클리 방사선 연구소에서 해고되었다.[46][7]

1950년 컬럼비아 대학교 교수직을 수락했다. 네비스 연구소에 새로 설치된 메손 빔은 여러 중요한 실험에 필요한 도구를 제공했다. 다양한 핵 표적에서 파이온의 생성 단면적을 측정한 결과 파이온이 홀수 패리티를 가짐을 보여주었다.[16] 당시에는 흔치 않았던 액체 수소 표적을 이용한 파이온 생성의 직접 측정은 파이온이 스핀 0임을 보여주는 데 필요한 데이터를 제공했다. 같은 표적을 사용하여 중성 파이온이 광자, 전자, 그리고 양전자로 붕괴하는 비교적 드문 붕괴를 관찰했다. 관련 실험에서는 중성 파이온 붕괴에서 전자-양전자 쌍 사이의 각 상관관계를 측정했고, 하전 파이온이 전자와 중성미자로 붕괴하는 드문 붕괴를 확인했다. 후자의 실험은 액체 수소 거품 상자를 사용해야 했다.[18]

2. 3. 중성미자 연구와 노벨상 수상

1960년대 약한 상호작용 연구의 초점은 이상입자에서 중성미자로 옮겨갔다. 레온 레더먼, 잭 스타인버거와 멜빈 슈워츠는 네비스 연구소에 큰 스파크 상자를 설치하고, 1961년에 하전 파이온(пион)과 케이온의 붕괴에서 뮤온과 함께 생성된 중성미자를 이용하여 실험을 진행했다. 그들은 브룩헤이븐의 교류구배싱크로트론(AGS)을 사용하여 뮤온이 생성되었지만 전자는 생성되지 않은 여러 설득력 있는 사건들을 얻었다.[24] 이 결과로 1962년 레더먼과 함께 두 종류의 중성미자를 확인했으며, 1988년 노벨 물리학상을 수상했다. 이는 베타 붕괴에서 생성되는 중성미자와는 별개로 뮤온과 관련된 중성미자의 존재를 증명했다.[25]

2. 4. CERN에서의 연구와 말년

1968년, 스타인버거는 컬럼비아 대학교를 떠나 CERN의 부서장직을 수락했다.[30] 그는 그곳에서 조르주 샤르파크가 최근에 발명한 다선 비례 계수기(MWPC)를 이용한 실험을 설계했다.[31] 마이크로 전자 증폭기를 추가한 MWPC는 훨씬 더 많은 사건 표본을 기록할 수 있게 해주었다. 중성 카온에 대한 여러 결과가 1970년대 초에 얻어져 발표되었는데, 여기에는 중성 카온의 뮤온 쌍으로의 희귀 붕괴 관측, 반-렙톤 붕괴의 비대칭성의 시간 의존성, 그리고 중성 카온 질량 차이의 보다 정밀한 측정이 포함된다. 실험 기법의 새로운 시대가 열렸다.[32]

이러한 새로운 기술은 직접적인 CP 대칭성 깨짐의 최초 증명에 매우 중요한 것으로 입증되었다. NA31 실험은 1980년대 초 CERN의 SPS 400 GeV 양성자 싱크로트론을 사용하여 CERN에서 건설되었다. MWPC 은행과 하드론 칼로리미터뿐만 아니라, 뛰어난 공간 및 에너지 분해능을 가진 액체 아르곤 전자기 칼로리미터도 특징으로 가지고 있었다. NA31은 직접 CP 대칭성 깨짐이 실제로 일어난다는 것을 보여주었다.[33]

스타인버거는 거대 전자-양전자 충돌기(LEP)의 ALEPH 실험에서 실험 대변인으로 활동했다.[34] ALEPH 실험의 초기 성과 중 하나는 Z 보손의 붕괴 측정을 통해 표준 모형에서 렙톤쿼크의 패밀리 수를 정확하게 측정한 것이다.[35]

그는 1986년 CERN에서 은퇴하여 이탈리아의 피사 고등사범학교(Scuola Normale Superiore di Pisa) 교수가 되었다.[7] 그는 90대까지 CERN 연구소와의 교류를 계속했다.[36][9] 2020년 12월 12일에 제네바에서 숙환으로 별세하였다.

3. 주요 연구 업적

잭 스타인버거는 중성미자 연구와 CP 대칭성 깨짐 연구에서 중요한 업적을 남겼다. 특히, 1960년대에는 레온 레더먼, 멜빈 슈워츠와 함께 뮤온 중성미자를 발견하여 1988년 노벨 물리학상을 수상했다.[25]

1964년 중성 카온 계에서 CP 대칭성 깨짐이 확립된 후, 스타인버거는 이를 측정하는 실험을 수행했다. 1965년 CERN에서 카를로 루비아와 함께 실험을 수행하여 CP 대칭성 깨짐을 확인하고, 단수명 및 장수명 중성 카온 질량의 차이를 정밀하게 측정했다.[26][27] 미국으로 돌아온 후에도 브룩헤이븐에서 관련 실험을 계속하여 CP 대칭성 깨짐을 정밀하게 측정하고 CPT 대칭이 자연의 좋은 대칭임을 확인했다.[28][29]

스타인버거는 실험 장비 개발에도 기여했다. CERN에서는 조르주 샤르파크가 발명한 다선 비례 계수기(MWPC)를 이용한 실험을 설계하여 중성 카온 연구에 기여했으며, NA31 실험에서는 액체 아르곤 전자기 칼로리미터를 사용하여 직접적인 CP 대칭성 깨짐을 증명했다.[33] 거대 전자-양전자 충돌기(LEP)의 ALEPH 실험에서는 Z 보손 붕괴 측정을 통해 표준 모형렙톤쿼크 패밀리 수를 정확하게 측정했다.[35]

3. 1. 중성 파이온 연구

박사 학위를 받은 후, 스타인버거는 1년 동안 고등연구소에서 프린스턴에 머물렀다. 1949년 그는 중성 파이온의 수명을 계산한 논문을 발표했는데,[13] 이는 양자장론의 이상 현상 연구를 예측한 것이었다.[14]

프린스턴 이후인 1949년, 스타인버거는 캘리포니아 대학교 버클리의 방사선 연구소로 갔다. 그는 그곳에서 중성 파이온의 생성과 광자 쌍으로의 붕괴를 실험적으로 증명했다. 이 실험은 330 MeV 싱크로트론과 새로 발명된 신틸레이션 계수기를 이용했다.[15] 이러한 업적에도 불구하고, 그는 1950년 소위 반공 선서(non-Communist Oath)에 서명하기를 거부했기 때문에 버클리 방사선 연구소에서 해고되었다.[46][7]

1950년 스타인버거는 컬럼비아 대학교 교수직을 수락했다. 네비스 연구소에 새로 설치된 메손 빔은 여러 중요한 실험에 필요한 도구를 제공했다. 다양한 핵 표적에서 파이온의 생성 단면적을 측정한 결과 파이온이 홀수 패리티를 가짐을 보여주었다.[16] 당시에는 흔치 않았던 액체 수소 표적을 이용한 파이온 생성의 직접 측정은 파이온이 스핀 0임을 보여주는 데 필요한 데이터를 제공했다. 같은 표적을 사용하여 중성 파이온이 광자, 전자, 그리고 양전자로 붕괴하는 비교적 드문 붕괴를 관찰했다. 관련 실험에서는 중성 파이온 붕괴에서 전자-양전자 쌍 사이의 각 상관관계를 측정했고, 하전 파이온이 전자와 중성미자로 붕괴하는 드문 붕괴를 확인했다. 후자의 실험은 액체 수소 거품 상자를 사용해야 했다.[18]

3. 2. 기묘 입자 연구

1954년부터 1955년까지, 스타인버거는 브룩헤이븐 국립 연구소의 코스모트론에서 사용할 15cm 크기의 거품상자 제작에 기여했다. 이 실험에서는 피온 빔을 사용하여 기묘 쿼크를 가진 하드론 쌍을 생성하여 이러한 입자들의 수수께끼 같은 생성 및 붕괴 특성을 밝히고자 했다.[19] 1956년, 그는 세 개의 카메라가 장착된 30cm 거품상자를 사용하여 중성 시그마 하이페론을 발견하고 그 질량을 측정했다.[20] 이 관측은 기묘 쿼크의 존재를 가정하는 SU(3) 풍미 대칭의 존재를 확인하는 데 중요했다.[21]

약한 상호작용의 중요한 특징 중 하나는 패리티 대칭의 위반이다. 이 특징은 많은 하이페론의 스핀과 패리티를 측정함으로써 확립되었다. 스타인버거와 그의 공동 연구자들은 브룩헤이븐에서 대형(75cm) 액체 수소 거품상자와 분리된 하드론 빔을 사용하여 이러한 측정을 여러 차례 수행했다.[22] 한 예로, 시그마 제로 하이페론이 람다 제로 하이페론으로 붕괴될 때 생성되는 전자-양전자 쌍의 불변 질량 분포를 측정한 것이 있다.[23]

3. 3. 뮤온 중성미자 발견

1960년대 약한 상호작용 연구의 초점은 이상입자에서 중성미자로 옮겨갔다. 레온 레더먼, 잭 스타인버거와 멜빈 슈워츠는 네비스 연구소에 큰 스파크 상자를 설치하고, 1961년에 하전 피온(π중간자)과 케이온(K중간자)의 붕괴에서 뮤온과 함께 생성된 중성미자를 이용하여 실험을 진행했다. 그들은 브룩헤이븐의 교류구배싱크로트론(Alternating Gradient Synchrotron, AGS)을 사용하여 뮤온이 생성되었지만 전자는 생성되지 않은 여러 설득력 있는 사건들을 얻었다.[24] 이 결과로 그들은 1988년 노벨 물리학상을 수상했으며, 이는 베타 붕괴에서 생성되는 중성미자와는 별개로 뮤온과 관련된 중성미자의 존재를 증명했다.[25]

3. 4. CP 대칭성 깨짐 연구

1964년 중성 카온 계에서 CP 대칭성 깨짐(전하 공액 변환 및 패리티)이 확립되었다. 스타인버거는 CP 대칭성 깨짐의 정도를 정량화하는 현상론적 매개변수 입실론(''ε'')이 간섭 현상에서 측정될 수 있음을 인지했다. 그는 1965년 CERN에서 안식년을 보내는 동안 카를로 루비아와 공동으로 실험을 수행하여 예상되는 간섭 효과를 명확하게 보여주었고, 단수명 및 장수명 중성 카온 질량의 차이를 정밀하게 측정했다.[26][27]

미국으로 돌아온 스타인버거는 브룩헤이븐에서 중성 카온의 반입자 붕괴에서 CP 대칭성 깨짐을 관찰하는 실험을 수행했다. 전하 비대칭은 입실론 매개변수와 직접적으로 관련되어 있으며, 따라서 정밀하게 측정되었다.[28] 이 실험은 또한 입실론의 위상을 유추하고 CPT가 자연의 좋은 대칭임을 확인했다.[29]

3. 5. 실험 장비 개발

1968년, 스타인버거는 컬럼비아 대학교를 떠나 CERN의 부서장직을 수락했다.[30] 그는 그곳에서 조르주 샤르파크가 최근에 발명한 다선 비례 계수기(MWPC)를 이용한 실험을 설계했다.[31] 마이크로 전자 증폭기를 추가한 MWPC는 훨씬 더 많은 사건 표본을 기록할 수 있게 해주었다. 1970년대 초, 중성 카온의 뮤온 쌍으로의 희귀 붕괴 관측, 반-렙톤 붕괴의 비대칭성의 시간 의존성, 그리고 중성 카온 질량 차이의 보다 정밀한 측정을 포함한 중성 카온에 대한 여러 결과가 발표되면서 실험 기법의 새로운 시대가 열렸다.[32]

이러한 새로운 기술은 직접적인 CP 대칭성 깨짐의 최초 증명에 매우 중요했다. 1980년대 초 CERN에서 SPS 400 GeV 양성자 싱크로트론을 사용하여 건설된 NA31 실험은 MWPC 은행과 하드론 칼로리미터뿐만 아니라, 뛰어난 공간 및 에너지 분해능을 가진 액체 아르곤 전자기 칼로리미터도 갖추고 있었다. NA31은 직접 CP 대칭성 깨짐이 실제로 일어난다는 것을 보여주었다.[33]

스타인버거는 거대 전자-양전자 충돌기(LEP)의 ALEPH 실험에서 실험 대변인으로 활동했다.[34] ALEPH 실험의 초기 성과 중 하나는 Z 보손의 붕괴 측정을 통해 표준 모형에서 렙톤쿼크의 패밀리 수를 정확하게 측정한 것이다.[35]

4. 수상 경력

슈타인버거는 1988년 "중성미자 빔 방법과 뮤온 중성미자의 발견을 통한 렙톤의 이중 구조 증명"으로 레온 레더먼, 멜빈 슈워츠와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상했다.[37][38] 이 실험은 브룩헤이븐 국립 연구소의 교류 구배 싱크로트론으로 생성된 하전된 파이온 빔을 사용했다.

그는 1988년 로널드 레이건 대통령으로부터 미국 국가과학상을 수상했고,[9] 1990년 이탈리아 과학 아카데미로부터 마테우치 메달을 받았다.[40] 그는 자신의 노벨 메달을 일리노이주 위네트카(미국)의 뉴 트라이어 고등학교에 기증했다.[39]

5. 개인사

잭 스타인버거는 1921년 독일 바이에른주 바트 키싱엔에서 유대인 가족의 아들로 태어났다.[6][9] 반유대주의와 더불어 독일 나치당이 부상하면서, 그의 부모 베르타와 루드비그 스타인버거는 그를 독일 밖으로 서둘러 내보냈다.[48]

13살에 미국으로 이주하여 형 허버트와 함께 대서양 횡단 여행을 했다. 미국의 유대인 자선 단체들은 바넷 패롤이 그를 양자로 돌보도록 주선했다. 시카고에서 살았으며, 위네토카에 위치한 뉴테리어 타운쉽 고등학교를 1938년 졸업한 뒤[10] 1942년 시카고 대학교에서 화학 학위를 받았다.[9] 2차 세계 대전 이후 같은 대학교에서 엔리코 페르미의 지도하에 물리 학위를 받았다.[9][7] 1968년 CERN 연구장이 되었고, 1986년 은퇴하였다.

슈타인버거는 조앤 보리거드와의 첫 번째 결혼 생활이 이혼으로 끝난 후, 전 학생이었던 생물학자 신시아 알프와 결혼했다.[41][7] 그는 두 번의 결혼을 통해 네 명의 자녀를 두었다.[41] 그의 아들인 네드 스타인버거는 헤드리스 기타와 베이스를 제조하는 동명의 회사의 설립자이며, 그의 딸인 줄리아 슈타인버거는 로잔 대학교의 생태 경제학자이다.[42] 무신론자이자 인본주의자인 슈타인버거는 국제 인본주의 아카데미의 인본주의 수상자였다.[43][44]

1980년대에 슈타인버거는 그의 고향인 바트키시젠과 관계를 재개했다. 그는 그 후로 바트키시젠을 자주 방문했다. 그가 다녔던 학교는 2001년에 "잭-슈타인버거-김나지움"으로 명명되었다. 2006년 슈타인버거는 바트키시젠 명예 시민이 되었다. 그는 2013년 바이에른 방송사인 ''바이에리셔 룬트푼크''와의 인터뷰에서 "저는 바트키시젠에서 환영받는다고 느낍니다. 이곳은 제 고향이고 제가 자란 곳입니다. 저는 이제 다시 독일인으로 느낍니다."라고 말했다.[45]

2020년 12월 12일에 제네바에서 99세의 나이로 사망했다.[46]

6. 사회 활동 및 기타

슈타인버거는 1921년 5월 25일 독일 바이에른 주 바트키싱겐에서 유대인 가족의 아들로 태어났다.[6][9] 독일에서 나치즘의 부상과 반유대주의로 인해 그의 부모는 그를 국외로 보내기로 결정했다.[9]

13세에 슈타인버거는 형 허버트와 함께 대서양을 횡단하여 미국으로 이민을 왔다. 미국의 유대인 자선 단체들은 바넷 패롤이 그를 양자로 돌보도록 주선했다. 슈타인버거는 일리노이 주 위넷카에 있는 뉴 트라이어 타운십 고등학교에 다녔다.[10] 그는 1938년 부모님과 남동생과 재회했다.[7]

그의 아들 중 한 명인 네드 스타인버거(Richard Ned Stainberger)는 가구 제작자를 거쳐 스펙터 베이스, 스타인버거 베이스/기타 등 참신한 디자인의 악기를 디자인하여 많은 상을 수상했다. 그는 현대 악기 혁신가로 유명하다.

참조

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[2] 웹사이트 INSPIRE https://inspirehep.n[...] 2020-12-17
[3] 웹사이트 Eric L Schwartz – AI Profile https://www.aminer.o[...] 2020-12-17
[4] 웹사이트 Theodore Modis – AI Profile https://www.aminer.o[...]
[5] 웹사이트 David Robert Nygren {{!}} Explore University Of Texas At Arlington https://mentis.uta.e[...] 2020-12-17
[6] 웹사이트 Jewish Nobel Prize Winners in Physics https://www.jinfo.or[...] 2023-03-29
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[19] 저널 Properties of heavy unstable particles produced by 1.3 BeV π mesons
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[26] 저널 KS and KL interference in the π+π decay mode, CP invariance and the KS−KL mass difference
[27] 저널 Further results from the interference of KS and KL in the π+π decay modes
[28] 저널 Measurement of the charge asymmetry in the decay K-long0 → pion+-+Electron-+ +ν
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[30] 웹사이트 Happy birthday, Jack Steinberger https://home.cern/ne[...] 2020-12-17
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[32] 웹사이트 From Bubble Chambers to Electronic Systems: 25 Years of Evolution in Particle Detectors at CERN (1979–2004) https://cds.cern.ch/[...] 2020-12-16
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