10년 안에 미국은 물질의 기본 구조에 대한 새로운 비밀을 밝혀줄 새로운 입자 가속기를 가동할 것입니다. EIC(Electron-Ion Collider)라고 불리는 이 기계는 뉴욕주 업턴에 있는 브룩헤이븐 국립 연구소 시설에서 제작될 예정입니다.
충돌기의 발견을 극대화하려면 지금부터 인력을 유치하고 교육해야 합니다. 우리는 다양하고 재능 있는 팀을 육성할 수 있는 놀라운 기회를 갖고 있으며, 이는 현재 고등학생부터 시작됩니다. 너무나 자주, 이 학생들은 물리학의 가장 기본적이고 기초적인(그리고 잠재적으로 덜 흥미로운) 측면, 즉 17세기에 정량화되었던 고전적 교훈에만 노출됩니다. 오늘날 물리학자들이 조사하고 있는 최첨단 미스터리에 대해 배우기 전에 학생은 대학원에 진학해야 하는 경우가 많습니다. 이것은 바뀌어야 합니다.
지난 여름 저는 고등학생들에게 미래 EIC의 시뮬레이션 데이터를 사용하여 직접 입자 물리학 연구를 할 수 있는 기회를 제공하는 파일럿 프로그램을 운영했습니다. “양성자를 깨뜨리자(Lets Smash the Proton)”라는 워크숍에는 테네시주 내슈빌 고등학교 첫 여름방학에 Vanderbilt University와 Metropolitan Nashville Public의 공동 프로그램인 Vanderbilt의 과학 및 수학 학교에 등록한 26명의 학생들이 참여했습니다. 학교. 나는 예일 대학교에서 Pathways to Science 프로그램에 따라 7명의 고등학생을 대상으로 운영하는 데 도움을 준 유사한 프로그램을 기반으로 이 프로젝트를 진행했습니다. 4일 과정 동안 학생들은 물리학을 공부하면서 하루에 2~3시간을 보냅니다. 매일 30분 강의와 연구로 시작하여 학생들은 EIC에서 Python 프로그래밍 언어를 배우고 입자 충돌 시뮬레이션을 실행했습니다. 워크숍이 끝난 후 학생들은 자신의 작품에 대해 그룹 발표를 했습니다. 현역 물리학자와 동일한 도구를 사용하고 동일한 작업을 수행함으로써 학생들은 과학적 사고를 연습하고 엄격한 연구 영역에 속해 있다는 느낌을 받는 데 도움이 되었습니다.
EIC는 중심 전제가 다양한 수준의 복잡성에서도 이해하기 쉽기 때문에 고등학교에서 과학적 지원을 위한 자연스러운 선택입니다. 세계에서 가장 기술적으로 진보된 가속기 시설이 될 이 장비는 거의 빛의 속도로 전자를 압축한 다음 양성자에서 금핵에 이르는 원자핵과 충돌시킵니다. 전자는 더 작은 조각으로 분해될 수 없는 기본 입자이기 때문에 우리가 해야 할 일은 충돌 후 전자의 움직임을 매우 정확하게 측정하는 것뿐입니다. 본질적으로, 충돌 후 제거 과정을 통해 우리가 보는 다른 모든 것은 양성자의 분해에서 비롯되어야 합니다. 이러한 스매쉬업은 시계 내부에 무엇이 튀어나오는지 알아보기 위해 망치로 두드려서 시계 안에 무엇이 들어 있는지 알아내는 것과 비교되었습니다. 수많은 충돌을 관찰함으로써 우리는 핵 구조의 내부 세부 사항을 더 잘 이해하고 물리학의 새로운 진실을 발견할 수 있기를 바랍니다.
입자 충돌기 물리학을 통해 참가자들은 운동량 보존 원리, 기본 입자의 기초, 심지어 통계 분야까지 포함하여 과학의 다양한 측면을 배웁니다. Colliders에서는 우리가 추구하는 희귀한 입자 프로세스가 거대한 데이터 세트 어딘가에 나타날 것이라는 희망으로 많은 데이터를 수집합니다. 우리 워크숍에서 학생들은 충돌 후 전자와 같은 특정 물리적 물체의 경로를 예측해야 합니다. 학생들이 일반적인 추세를 식별할 만큼 데이터가 충분하지 않다는 사실을 깨닫고 나면 시뮬레이션을 수천 번 실행하고 대규모 데이터 세트의 필요성과 통계 처리 방법을 이해하는 방법을 배웁니다.
EIC가 2033년에 가동될 예정이기 때문에 현재 고등학생들은 데이터를 수집할 때 충돌체를 연구하는 과학자와 연구원이 되기에 적합한 나이가 될 것입니다. 지금 그들을 흥분시키는 것이 핵심이며 과학 인력의 다양성을 높일 수 있는 기회이기도 합니다. 우리는 학생들이 자신을 단지 미래의 과학자가 아니라 현재 연구에 적극적으로 기여하는 사람으로 여기기를 원합니다. 특히 흑인 어린이, 여성, LGBTQIA+ 개인을 포함하여 역사적으로 과소대표된 집단 출신인 경우 더욱 그렇습니다. 프로그램 전반에 걸쳐 학생들은 내 연구실에서 연구 조교로 일하는 고등학생, 밴더빌트 학부 및 대학원생, 교수를 포함하여 경력의 모든 단계에서 자신과 닮은 과학자들과 협력합니다. Vanderbilt에서 성공적인 첫 해를 보낸 후, 우리는 이 프로그램을 계속 확장하고 싶습니다. 우리는 유사한 프로그램을 다양한 다른 대학 및 국립 연구소에 홍보할 목적으로 워크샵의 모든 세부 사항을 공개적으로 공개했습니다.
나는 10학년 때 고등학교 과학 박람회 프로젝트를 아직도 기억합니다. 처음으로 실제 과학을 진행하면서, 수업시간에 정해진 고정된 강의 계획서를 넘어 활발하게 연구 중이던 몇 가지 질문을 탐구하게 되었습니다. 그것은 내 인생의 중추적인 순간이었으며 다른 학생들에게도 제공하고 싶은 순간이었습니다. 지금 아이들을 과학에 푹 빠지게 함으로써 우리는 연구의 미래를 형성할 뿐만 아니라 더 많은 사람들이 자신을 과학자로 여기고 흥미진진한 기초 연구 세계에서 경력을 쌓을 수 있도록 돕습니다.
이 글은 의견 및 분석 글이며, 저자 또는 저자들이 표현한 견해가 반드시 해당 저자의 견해와 일치하는 것은 아닙니다. 사이언티픽 아메리칸.
