마틴 루이스 펄

1. 개요

마틴 루이스 펄은 미국의 물리학자이다. 1948년 브루클린 공과대학에서 화학 공학을 전공하고 컬럼비아 대학교에서 박사 학위를 받았다. 미시간 대학교에서 연구를 수행했으며, 스탠퍼드 선형 가속기 센터에서 전자와 뮤온의 상호작용 연구를 진행했다. 펄은 1974년에서 1977년 사이에 타우 렙톤을 발견한 공로로 1995년 노벨 물리학상을 수상했다. 2014년 스탠퍼드 대학교 병원에서 심장마비로 사망했다.

2. 생애와 경력

마틴 루이스 펄은 미국 뉴욕 시에서 유대인계 폴란드인 이민자 가정에서 태어났다. 1948년 브루클린 공과대학(현재 NYU-Tandon)에서 화학 공학을 전공하고, 1955년 컬럼비아 대학교에서 물리학 박사 학위를 취득했다. 이후 미시간 대학교와 SLAC 국립 가속기 연구소(스탠퍼드 선형 가속기 센터)에서 연구 활동을 했다.

미시간 대학교에서 거품 상자와 스파크 상자를 사용하여 강력 상호작용을 연구했으며, SLAC 국립 가속기 연구소에서는 전자와 뮤온 상호작용 연구를 통해 타우 입자를 발견하여 1995년 노벨 물리학상을 수상했다. 그는 미국을 위한 과학기술자(Scientists and Engineers for America) 자문 위원을 역임했다.

2008년에는 조지 W. 부시 대통령에게 기초 과학 연구 지원을 촉구하는 서한에 서명한 20명의 미국 노벨 물리학상 수상자 중 한 명이었다. 2014년 9월 30일, 스탠퍼드 대학교 병원에서 심장마비로 87세의 나이에 사망했다.

2.1. 초기 생애와 교육

마틴 루이스 펄은 뉴욕 시에서 유대인계 폴란드인 이민자 가정에서 태어났다. 그의 부모는 서기이자 경리였던 페이(결혼 전 성씨는 레젠탈)와 인쇄 및 광고 회사를 설립한 문구 판매원 오스카 펄이었다.

펄은 1948년 브루클린 공과대학(현재는 NYU-Tandon)에서 화학 공학을 전공하여 졸업했다. 졸업 후 제너럴 일렉트릭에서 전자 진공관을 생산하는 공장의 화학 엔지니어로 일했다. 펄은 전자관의 작동 방식을 배우기 위해 유니언 칼리지 (뉴욕주 스케넥터디)에서 원자 물리학 및 고급 미적분학 강좌를 수강했는데, 이를 통해 물리학에 대한 관심이 커졌고, 결국 1950년 물리학과 대학원생이 되었다.

1955년 컬럼비아 대학교에서 이시도어 아이작 라비 교수의 지도를 받아 박사 학위를 받았다. 박사 학위 논문은 라비가 1944년 노벨 물리학상을 수상한 원자선 공명법을 사용하여 나트륨의 핵 사중극자 모멘트를 측정한 내용을 담고 있었다.

2.2. 연구 경력

펄은 1948년 브루클린 공과대학(현재는 NYU-Tandon)에서 화학 공학을 전공하여 졸업했다. 졸업 후 제너럴 일렉트릭에서 전자 진공관을 생산하는 공장의 화학 엔지니어로 일했다. 펄은 전자관의 작동 방식을 배우기 위해 유니언 칼리지(뉴욕주 스케넥터디)에서 원자 물리학 및 고급 미적분학 강좌를 수강했는데, 이를 통해 물리학에 대한 관심이 커졌고, 결국 1950년 물리학과 대학원생이 되었다.

1955년 컬럼비아 대학교에서 이시도어 아이작 라비의 지도를 받아 박사 학위를 받았다. 펄의 논문은 라비가 1944년 노벨 물리학상을 수상한 원자선 공명법을 사용하여 나트륨의 핵 사중극자 모멘트를 측정한 내용을 담고 있었다.

박사 학위 취득 후 펄은 미시간 대학교에서 8년간 강력 상호작용의 물리학을 연구하며, 거품 상자와 스파크 상자를 사용하여 파이온과 이후 중성자가 양성자에 흩어지는 현상을 연구했다. 미시간 대학교에 재직하는 동안 펄과 로렌스 W. 존스는 새뮤얼 C. C. 팅의 공동 지도 교수를 맡았으며, 팅은 1976년 노벨 물리학상을 수상했다.

펄은 더 단순한 상호작용 메커니즘을 연구하기 위해 전자와 뮤온 상호작용을 고려하기 시작했다. 1963년 캘리포니아에 건설 중이던 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)로 옮기면서 이 분야에서 실험 작업을 계획할 기회를 얻었다. 그는 특히 뮤온이 왜 전자와 거의 똑같이 상호작용하지만 206.8배 더 무거운지, 그리고 왜 그런 방식으로 붕괴하는지에 대한 의문을 품었다. 펄은 고에너지 하전 렙톤에 대한 실험을 통해 이러한 질문에 대한 답을 찾기로 결정했다. 또한, 전자-양전자 충돌을 통해 렙톤의 세 번째 세대를 발견할 가능성을 고려했다.

2.3. 타우 입자 발견

마틴 루이스 펄은 SLAC-LBL 그룹의 동료들과 함께 1974년에서 1977년 사이에 수행한 일련의 실험을 통해 타우를 발견했다.

펄과 동료들의 실험 장비는 당시 SLAC의 새로운 – 충돌 링인 SPEAR와 LBL 자기 검출기로 구성되었다. 이 장비를 통해 렙톤, 하드론, 그리고 광자를 감지하고 구별할 수 있었다. SPEAR는 초기에는 최대 4.8GeV, 최종적으로는 8GeV의 에너지로 전자와 양전자를 충돌시켰는데, 이는 타우/반타우 쌍을 생성하기에 충분한 에너지였다. 타우의 수명은 로 매우 짧아, 충돌 후 몇 밀리미터 내에서 붕괴되었다.

펄과 동료들은 타우를 직접 감지하는 대신, 전자와 뮤온, 또는 양전자와 반뮤온을 감지한 특이한 현상을 발견했다:

하나의 입자만으로는 에너지와 운동량을 보존할 수 없었기 때문에, 적어도 두 개의 감지되지 않은 입자가 필요했다. 다른 뮤온, 전자, 광자, 하드론은 감지되지 않았다. 이 사건은 새로운 입자 쌍의 생성과 붕괴로 제안되었다.

: + → + → + + 4

이는 쌍을 생성하는 데 필요한 에너지가 D 중간자 생성의 문턱과 유사했기 때문에 확인하기가 어려웠다. 이후 DESY-함부르크와 SPEAR의 직접 전자 계수기(DELCO)에서 수행된 연구가 발견을 확인했으며 타우의 질량과 스핀을 확립했다.

타우(τ)라는 기호는 그리스어 τρίτον(triton, "세 번째"를 의미)에서 유래되었는데, 이는 발견된 세 번째 전하 렙톤이기 때문이다.

2.4. 노벨상 수상 이후

펄은 1995년 프레데릭 라인스와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 이 상은 "렙톤 물리학에 대한 획기적인 실험적 기여"를 기리기 위해 수여되었다. 펄은 "타우 렙톤의 발견"에 대한 공로로 상의 절반을 받았고, 라인스는 "중성미자의 탐지"에 대한 공로로 상의 나머지 절반을 받았다. 1996년 그는 "논평, 과학 논문, 성찰 및 회고록..."으로 구성된 실험 과학에 대한 성찰을 출판했다.

그는 리버풀 대학교에 방문 교수로 합류했다. 그는 미국 정부의 건전한 과학 증진에 초점을 맞춘 단체인 미국 과학기술자 연합의 자문 위원으로 활동했다. 1996년에는 미국 업적 아카데미에서 골든 플레이트 상을 받았다. 2009년, 펄은 베오그라드 대학교에서 명예 박사 학위를 받았다.