(주의 - 이 포스트는 2010 년 초에 쓰여져서 최신 내용을 반영하지 않을 수 있습니다)
3. 연구 진행과 사고
2008년 9월 10일 LHC 는 첫번째 양성자 빔을 발사했다. 그리고 그 다음에 찾아온 것은 힉스 입자를 발견했다는 낭보가 아니라 긴 침묵이었다. 과연 무슨 일이 있었던 것일까? 감격의 첫번째 양성자 빔 발사 후 9일 후인 9월 19일 LHC 에는 큰 사고가 발생한다.
그것은 초전도 자석의 문제로 - Magnet quench 라 불리는 이 문제는 초전도 자석이 비정상적으로 중단되는 것을 의미한다 - 원인은 6톤 정도의 액체 헬륨이 소실 되면서 발생한 것이었다. 정확한 사고 원인을 파악하는데만 적어도 2달 정도가 소요되었기 때문에 9월 30일로 예정된 첫번째 고에너지 충돌은 연기될 수 밖에 없었다. (그러나 공식적인 개장일이 2008년 10월 21일이었기 때문에 이런 사고로 가동을 못하는 상태에서도 어쩔 수 없이 각국 귀빈을 모시고 행사를 할 수 밖에 없었다고 한다)
CERN 은 이 사고의 원인을 초전도 자석에 잘못된 전선 연결 (faulty electrical connection) 으로 결론 내렸다. 그리고 파손된 53개의 자석을 교체하고 수리를 완료하는데 예상을 뛰어넘는 시간이 소요되어 사실상 LHC 는 2009년 11월까지 가동을 할 수 없는 상태였다. (NGC 채널에서 이 사고를 수리하는 내용을 방영한 적이 있다)
2009년 11월 20일 마침내 수리를 끝낸 LHC 는 다시 저에너지 빔을 발사할 수 있게 되었다. 마침내 2009년 11월 23일 LHC 에서는 450 GeV 의 에너지로 가속된 양성자 빔의 첫번째 충돌이 이루어졌다. 그러나 이 정도는 몸풀기에 불과한 에너지였다. LHC 가 과거 미국의 테바트론 (Tevatron) 이 세운 0.98 TeV 의 기록을 넘어서 세계 최고의 고에너지 양성자 빔 에너지 기록을 세운 것은 2009년 11월 30일로 1.18 TeV 의 기록이었다.
그러나 LHC 이 만들 수 있는 최대 에너지는 7 TeV 라고 앞서 이야기 한 바 있다. 다만 LHC는 한번에 이정도 에너지에 도달할 수 는 없다. 본래 사고만 없었다면 지금쯤 이 정도 에너지에 도달해 한창 실험 중이었을 테지만 사고로 일정이 늦어진 관계로 지금부터 열심히 에너지를 올려 충돌 실험을 진행해야 한다. 순조롭게 진행되면 2010년 하반기엔 LHC 는 최대 출력인 7 TeV 의 양성자 빔을 서로 충돌시킬 수 있게 될 것이다. 물론 그때 까지 새로운 사고가 없어야 하겠지만 말이다.
(LHC 의 주요 입자 검출기인 CMS 에서 2개의 양성자 빔이 서로 충돌하고, 또 여기서 힉스 입자가 일시적으로 생성되어 사라지는 과정을 시뮬레이션으로 나타낸 것이다. 과연 CMS 에서 이런 모습이 포착될 것인가 ? This file is in the public domain because it is from the homepage of CMS detector ofCERN. )
그러나 실제 결과가 완전히 분석되어 힉스 입자의 존재를 비롯한 연구 목적이 완성되려면 앞으로 당분간은 시간이 필요할 것이다. 왜냐하면 LHC에서 나온 데이터를 분석하는 것도 만만치 않은 일이기 때문이다. 참고로 LHC 와 LHC 와 연관된 시뮬레이션이 내놓는 데이터는 연간 총 15 페타바이트 (Petabytes = 1000 테라 바이트이고 백만 기가비이트이다) 에 달하는 엄청난 양이다. 따라서 아무리 강력한 연산 능력을 가진 컴퓨터라도 이 막대한 데이터를 처리하는데 많은 시간이 걸릴 수 밖에 없다.
LHC 에서는 이 문제를 해결하기 위해 SETI 와 비슷한 해결책을 하나 가지고 있다. 그것은 LHC@home이라는 분산 컴퓨팅이다. 이는 인터넷에 연결된 수백만대의 컴퓨터가 그 연산능력을 다 사용하지 않을 때 노는 부분을 LHC 과학 연산에 빌려주는 것이다. 관심 있으신 분은 http://lhcathome.cern.ch/ 로 가보자.
4. LHC 의 안전성
사실 엉뚱하게도 LHC 는 그 과학적 중요성 때문이 아니라 블랙홀 실험이니 하는 안전성 논란으로 일반인들에게 화제가 된 바 있다. 아무튼 안전성 문제는 연구에 참가하는 과학자는 물론 무고한 사람들에게 피해를 주지 않기 위해서도 중요하기 때문에 아주 작은 가능성이라도 철저히 검증할 필요는 있다. 그러면 주요 안전성 논란이 되는 부분들에 대해서 알아보자
마이크로 블랙홀 (Micro black hole)
: 현재의 표준 모형에 의하면 LHC의 거대한 에너지 조차도 아주 작은 블랙홀을 만들기에는 적다고 할 수 있다. 그러나 여분의 차원의 존재를 설명하는 표준 모형의 확장이론에 의하면 마이크로 블랙홀이 생길 가능성을 완전히 배제할 수 없다고 한다. 물론 현재까지 우리의 지식에 의하면 마이크로 블랙홀은 이른바 호킹 복사 (Hawking radiation) 에 의해 생기자 마자 사라지기 된다.
우리에게도 친숙한 스티븐 호킹 박사는 블랙홀이 증발할 수 있음을 증명했다. 그 증발 속도는 역설적으로 블랙홀이 작을 수록 더 커져서 아주 작은 블랙홀은 금방 사라지게 될 수 있음을 예측했다. 과학자들은 만약에 실제로 LHC 실험에서 마이크로 블랙홀이 생긴다고 해도 주변 물질을 빨아들이기 이전에 순식간에 스스로 증발해서 사라질 것으로 예측했다. 과학자들이 왜 이 예측을 확신하는지는 나중에 설명하겠다.
기묘체 (Strangelet = strange matter)
: 이 이상한 이름의 물질은 현재까지는 이론상의 물질이다. 거의 같은 양의 업 (up), 다운 (down), 스트레인지 (Strange) 쿼크로 구성되는 이론상의 쿼크 물질로 작게는 수 펨토미터 (Femtometer : 1X10^-6 나노미터와 같은크기) 에서 크게는 수미터에 달할 것으로 생각되는 물질이다.
기묘체가 위험한 이유는 만약에 실제로 생성된다면 옆에 있는 모든 물체를 연속적으로 모두 기묘체로 바꿀 수 있는 능력 때문이다. 그렇다면 아주 작은 기묘체라도 지구 전체를 기존의 물질에서 기묘체로 바꿀 수 있다.
그런데 오히려 큰 에너지에서는 기묘체의 생성 가능성이 더 떨어지게 된다. 과거 LHC 보다 작은 에너지를 사용한 RHIC 등 다른 실험에서도 기묘체는 형성되지 않았다. 이론적으로 기묘체는 1- 10 MeV 에너지에서 잘 생성되지만 LHC 의 최대 에너지는 14 TeV 에 달하기 때문이다.
진공 거품 (Vaccum bubble)
: 이 이론은 이해하기 어려운데 현대 물리학의 이론들에 의하면 우리가 사는 곳이 가짜 거품 (False Vaccum) 이라면 새로운 진공 거품이 광속으로 팽창하여 지구를 파괴시킬 수 있다는 것이다. 솔직히 다른 이론도 그렇지만 이것 역시 필자도 이해하기 힘들다.
기타 잠재적인 위험으로 생각되는 것 중에는 자기 홀극 (Monopole Magnet) - 솔직히 왜 위험한지 필자 능력으론 이해를 못했음 - 도 존재한다.
그렇다면 과학자들은 어떻게 LHC 의 안전성을 확신하는 것일까 ? 이에 대해서는 필자의 허접한 설명보다 다음의 네이버 캐스트 설명을 참조하는 것이 더 좋을 것 같다.
간단히 요약해서 설명하면 우주에 존재하는 고에너지 입자의 흐름인 우주선 (Cosmic ray) 이 지구 대기에서 충분히 LHC 의 충돌 실험을 능가할 에너지의 충돌을 일으킨다는 것이다. 이를 환산해 보면 지금까지 지구가 생성된 이래 우주는 지구를 향해 30만번 정도 LHC 실험을 해본 셈이다. 그러나 불행히 인간이 지구 대기에서 우주선과 지구 대기 입자와의 충돌로 발생하는 현상을 직접 관측해서 힉스 입자를 관측할 수 없기 때문에 LHC 같은 장비가 필요하게 된 것이다.
한편 우주에는 지구만 있는게 아니다. 태양의 면적은 지구보다 1만배 정도 크다. 따라서 태양이 생성된 이래 우주는 태양에 대고 30억번 정도 LHC 실험을 했던 것이다. 그러나 태양은 건재하다. 더 나아가 우리 은하계에 수천억개의 별이 있고 인간이 이를 정밀하게 관측한 이래 한번도 별이 갑자기 사라지는 현상은 발견하지 못했다.
이런 모든 점을 감안할 때 LHC 실험의 안전성을 확신하는 것이다. 이론적으로도 진공 거품이나 자기 홀극은 LHC 에서 생성될 가능성이 거의 없다고 한다. 마이크로 블랙홀은 생성 가능성은 있지만 우리의 지식이 맞다면 그 수명은 10-27 초 에 불과할 것이고, 그 사이 지구는 물론 근처에 있는 물체를 흡수하지도 못하고 사라질 것이다. 또 기묘체 역시 오히려 LHC의 주 에너지 대에서는 생성되기 어려울 것이라고 한다.
5. 결론
일단 LHC는 계속 실험중에 있고 현재까지 지구는 건재하다. 다만 아직까지 신의 입자를 찾았다거나 그외에 놀라운 발견이 있었다는 뉴스도 없다는 것이 답답한 일이라고 하겠다. 특히 이 연구를 하기 위해 엄청난 연구비를 낸 세계 각국과 연구에 참여한 과학자들은 누구보다도 답답할 것이다.
그러나 앞서 이야기 했듯이 오늘 LHC를 가동하면 내일 힉스 입자가 발견되는 것이 아니다. 수많은 데이터가 수집되고 분석된 이후에야 우리는 LHC 의 성과를 이야기 할 수 있을 것이다. LHC 가 놀라운 결과를 내놓는 순간 블랙홀 생성기나 미니 빅뱅 제조기가 아닌 21세기 초반 최고의 과학적 성과로써 수많은 사람들에 기억에 남기를 기대해 본다.
덧 ) 마침내 발견이 임박한 힉스 입자 - http://blog.naver.com/jjy0501/100161669649
덧 ) 마침내 발견이 임박한 힉스 입자 - http://blog.naver.com/jjy0501/100161669649
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