(주의 - 이 포스트는 2010 년 초에 쓰여져서 최신 내용을 반영하고 있지 않습니다)
언젠가 빅뱅 실험이나 블랙홀 생성 실험이라고 해서 세간을 떠들석 하게 만든 대형 강입자 충돌기 (혹은 거대 강입자 충돌기라고도 번역 LHC : Large Hardron Collider) 를 기억하시는 분들이 많으실 것이다. 한 때 세간을 이목을 집중했던 이 거대 과학 연구 설비는 지금은 어떻게 되었을까?
현재까지 지구가 블랙홀에 삼켜지거나 하지 않았기 때문에 이 장치가 위험하다는 의견은 다소 수그러진 듯 하다. 하지만 뭔가 확실한 결과가 나왔다는 소식도 들리지 않고 있다. 대체 어떻게 된 것일가? 금일 포스트에서는 대형 강입자 충돌기의 건설 및 사고 그리고 잠재적인 위험성과 앞으로의 과제에 대해서 간단히 알아볼 예정이다.
1. LHC 의 배경
LHC 에 대해서 건설에 대해서 설명하기 위해 강입자 충돌기 (Hadron Collider)는 뭐하는 기계인지 간단히 설명해 볼 필요가 있을 것이다. 강입자 충돌기란 입자 가속기 (Particle Accelerator)의 일종으로 강력한 전자기장 힘으로 강입자를 가속시켜 서로 충돌 시키는 장치이다. 또 강입자 (Hadron) 란 강한 상호 작용과 관련된 입자로 스핀 값이 정수인 메존 (Meson) 과 반정수인 바리온 (Baryon) 이 있는데 대표적인 바리온이 바로 양성자와 중성자이다.
오늘 이야기할 LHC 는 바로 양성자들을 가속시켜 서로 충돌하게 만드는 장치이다. 대체 무엇때문에 그런 일을 하는가 ? 대개 이런 장치들의 목적은 입자들을 충돌 시켜 그 내부를 살펴보려는 목적으로 사용된다. 간단히 예를 들면 시계의 내부 구조를 알기 위해 시계를 빠른 속도로 던저서 박살낸다고 하자. 그러면 그 파면을 연구하므로서 시계의 내부 구조를 알아낼 수 있을 것이다.
그런데 사실 시계같이 쉽게 분해할 수 있는 물질은 굳이 박살낼 필요는 없다. 그냥 분해하면 그만인 것이 아닌가. 하지만 연구하려는 대상이 너무나 작고 서로 단단히 결합되어 있는 소립자라면 이야기가 다르다. 현미경으로 확대해서 볼 수 도 없을 만큼 작은 입자인데다 그 구성 물질이 서로 단단히 결합되어 있다면 아주 큰힘으로 박살내지 않고서는 그 구성 물질을 알 수 없기 때문이다. 특히 아주 큰힘이 주어져야만 알아낼 수 있는 아주 작은 소립자인 경우 더욱 그러하다. 따라서 아주 작은 소립자를 발견하기 위해 극단적으로 거대한 실험 장치가 필요해지는 역설적인 상황에 놓이게 된다고 하겠다.
거대한 입자 가속기는 20세기 물리학 발전에 결정적인 역할을 한 장치였다. 이 장치를 통해 과학자들은 소립자들의 내부 구조와 상호 작용에 대한 결정적인 증거들을 발견했다. 그러나 20세기 말까지 물리학자들이 풀지 못한 숙제가 있었다. 그것은 현대 물리학에서 가장 중요한 이론 중 하나인 표준 모델 (Standard Model) 의 문제이다. 이 표준 모델에 대해서는 필자의 허접한 설명보다는 아래의 네이버 캐스트 글을 소개한다.
http://navercast.naver.com/science/physics/120 (표준 모델에 대한 설명)
http://navercast.naver.com/science/physics/233 (초대칭 이론과 LHC 에 대한 설명)
아무튼 표준 모델에서 예측한 이른바 신의 입자인 힉스 보존 (Higgs boson) 및 그외 다른 고에너지 물리학 실험을 위해 20세기 말부터 꾸준히 초거대 입자 가속기의 필요성이 제기되어 왔다는 사실을 주지할 필요가 있다. 그것이 바로 LHC 가 만들어지게 된 배경이기 때문이다. 즉 현재 물리학자들이 믿고 있는 핵심적인 이론이 옳은지를 검증하기 위해서는 반드시 이런 거대 입자 가속기 실험이 필요했기 때문이다. 이를 통해 우주 만물은 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 오랜 질문의 실마리를 마련하게 될 것이다.
그런데 혹시 이런 점을 궁금해 하실 분도 있을지 모르겠다. 왜 세계 과학 연구에서 매우 중심적 역활을 하는 미국이 아니라 유럽에서 이런 거대 입자 충돌기가 건설되었을까? 그 이유를 말하려면 본래 미국이 건설하려했던 Superconducting Super Collider (SSC) 를 이야기 해야 할 것이다. 이 입자 가속기는 길이 87.1 km 에 에너지 20 TeV 로 양성자를 가속시킬 수 있었기 때문에 사실 LHC 보다 더 강력하고 큰 입자 가속기였다.
1980년대 미 의회는 ISS 의 초석이 된 거대 우주 정거장 계획과 거대 입자 가속기 계획을 승인했었다. 그러나 초기 승인 당시에는 44억 달러에 달하던 이 입자 가속기는 1993년에 이르러 무러 120억 달러로 예산이 증가하게 되었다. 당시 미국 연방 정부의 막대한 부채로 고심하던 클린턴 대통령은 결국 SSC 의 건설을 취소하고 우주 정거장 역시 국제 협력으로 건설하도록 함으로써 예산을 삭감했다. 이는 결국 미 정부를 부채에서 구하기 위해 어쩔 수 없는 조치로 생각되었다. 비록 다시 미국 정부가 거대한 부채를 안게 되긴 하지만 말이다.
이렇게 취소된 SSC 를 대신하여 유럽의 여러 국가들은 이보다 다소 작은 크기지만 힉스 보존의 증명을 비롯한 고에너지 물리학에 결정적인 역할을 할 거대 입자 가속기 계획을 세웠으니 이것이 바로 LHC 이다. 이 계획에는 유럽 국가들 뿐아니라 전세계 100여개국 1만명의 과학자가 같이 참가하여 결국 유럽 주도의 세계적 거대 입자 가속기 연구계획이 되었다. 이는 어찌 보면 거대 토카막 핵융합 연구 장치인 ITER 과 비슷한 경우이다.
2. LHC 의 구조와 작동 원리
1980년대 부터 시작된 LHC 계획은 총 90억 달러라는 막대한 비용을 소모했으며 10여년간의 건설 끝에 마침내 프랑스 - 스위스 국경에 걸쳐 완성되었다. 이는 유럽 입자 물리 연구소 (European Organization for Nuclear Research. 본래 명칭은 프랑스어로 Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire 의 약자로 CERN 이라 불린다 )에 의해 연구된다. 위치는 스위스 제네바 근처이다.
(유럽 입자 물리 연구소의 전경 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Harp )
입자 가속기 자체의 총 길이는 27 km 에 달하는 거대한 원 모양으로 되어 있으며 지하 50 - 175 m 아래 지하에 위치하고 있기 때문에 밖에서는 그 모습을 볼 수 없다. 지하 아래 있는 거대한 고리 모양의 터널안에는 입자 가속기 본체가 위치하고 있다. 참고로 입자 가속기가 놓이는 3.8미터 지름의 거대한 지하 콘크리트 터널은 과거 거대 전자-양전자 충돌기 (Large Electron-positron Collider, LEP)가 있던 공간이다.
(녹색 선으로 표시된 LHC 의 지도상의 위치 스위스-프랑스 국경에 걸쳐 있다. CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 OpenStreetMap contributors)
이 거대한 콘크리트 터널 내에는 2개의 파이프가 나란히 지나고 있다. 각각의 파이프안에는 반대 방향으로 가속되는 양성자 빔이 지나게 되며 이 양성자 빔은 4개의 교차지점에서 서로 충돌하게 된다. 이 LHC 란 장치는 기본적으로 양성자나 혹은 이온들을 서로 반대 방향으로 가속시켜 서로 충돌시키는 장치로 비유를 하자면 총알 두개를 발사해 서로 충돌시키는 것 같은 장치이다.
LHC 에는 총 1232개의 쌍극자 자석 (Dipole Magnet) 이 양성자 빔의 원형 궤도를 유지시키며 392개의 사극자 자석 (Quadrupole Magnet) 이 양성자 빔을 집중시킨다. 결국 총 1600개가 넘는 거대한 초전도 자석들이 LHC 에 사용되고 있는데 이들의 무게는 대개 27톤 이상이며 이들 초전도 자석을 1.9 K (−271.25 °C)의 극저온에 보존하기 위해 무려 96톤 이상의 액체 헬륨이 사용되고 있다.
자세한 사진은 저작권 문제로 링크로 확인하시기 바란다.
(Quadrupole Magnet 의 모습 CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 gamsiz)
(LHC 구조 모식도 P/Pb 다음에 있는 직선이 Linac2, 이 옆에 있는 타원이 PSB 인 것으로 생각된다. CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 저자 Drawn by Arpad Horvath with Inkscape. )
LHC 가 입자를 가속하는 과정을 설명하기 위해 위의 모식도를 보면서 설명하겠다. 위의 모식도에서 p 는 양성자 (proton) 이며 Pb는 이온이다. 여기에서는 양성자를 가속하는 과정을 설명하겠다. 일단 양성자는 선형 가속기인 Linac2 에서 50 MeV 까지 가속된 다음 다음 단계인 PSB (Proton Synchrotron Booster) 에서 1.4 GeV 까지 가속된다. 다시 이 단계에서 양성자는 다음단계인 PS (Proton Synchrotron) 으로 넘어가 26 GeV 의 에너지까지 가속된다. 그 다음 단계인 SPS (Super Proton Synchrotron) 에서 양성자는 450 GeV 까지 가속된다. 그리고 마지막으로 LHC 의 메인 링에서 7 TeV 까지 가속이 되는 것이다.
양성자들이 메인 링까지 가속되는데는 20분 이상의 시간이 소요되며, 메인 링으로 들어가면 10 - 24시간 정도 메인 링을 돌게 된다. 양성자가 서로 반대 방향으로 돌기 때문에 충돌시 에너지는 총 14 TeV 이다. LHC 에서 양성자들은 광속의 99.9999991% 의 속도로 가속되게 된다. 가속된 양성자는 LHC 의 메인링을 90 마이크로초 만에 한바퀴 돌게 되는데 이는 1초에 11000번 정도 도는 것과 같은 속도이다.
위의 모식도에는 LHC 에 설치된 4개의 주요 관측 장치도 표시되어 있다. ATLAS, ALICE, LHCb, CMS 가 바로 그것인데 각각의 주요 목표는 다음과 같다. 이들은 입자들이 충돌하면서 발생하는 물리적 현상과 새로운 입자들을 관측한다.
ATLAS : 일반적인 목적의 디텍터 (Detector) 2개중 하나로 물질의 기원과 새로운 차원에 대한 단서를 제공한다.
CMS : 역시 일반적은 목적의 디텍터 중 하나로 힉스 보존 및 암흑 물질의 단서를 제공한다.
ALICE : 빅뱅 직후에 있었던 쿼크 - 글루온 플라즈마 (quark - gluon plasma) 를 관측한다.
LHCb : 빅뱅 직후에 있었던 물질 - 반물질간의 상호 작용을 연구한다. 빅뱅 직후 사라진 반물질의 행방을 찾는데 단서를 제공한다.
이외에도 TOTEM 및 LHCf 라는 아주 작고 특수한 목적에 사용되는 관측 장비를 합쳐서 총 6개 정도의 관측 장비가 LHC 에 설치되었다. 이들은 힉스 입자와 같은 표준 모형의 난제를 해결함과 동시에 빅뱅 직후에 고에너지 고밀도 상황을 재현함으로써 중요한 과학적 연구 결과를 제공할 것이다.
(4개의 중요 관측 장비인 CMS 의 모습 CCL 에 따라 복사 허용, 저자 표시 저자 Harp )
(다음에 계속 됩니다)
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