[중앙일보] 강입자가속기 가동 입박

기사 입력시간 : 2008-09-05 오전 2:00:15
신이 감춘 입자 ‘힉스’ … 인간이 찾기 시작한다 유럽 강입자가속기 가동 ‘D-5’ 유럽입자물리연구소에 있는 강입자가속기의 검출기. 섭씨 영하 270도로 유지되며 힉스의 흔적을 찾아내는 곳이다. [중앙포토] 　우주대폭발(빅뱅)의 순간을 재현해 ‘신이 감춰놓은 마지막 소립자’ 힉스를 찾으려는 세계 물리학계의 대역사가 10일 시작된다. 스위스 제네바와 프랑스 접경 지역에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN)의 강입자가속기(LHC)가 14년에 걸친 공사를 완료하고 가동에 들어간다. 세계 최대이자 인류 역사상 가장 거대한 과학실험기기, 지상에서 가장 정밀한 기기인 강입자가속기에 빅뱅의 순간을 재현할 양성자 빔이 이날 가동과 함께 주입된다. 힉스 입자뿐 아니라 초대칭 입자, 4차원 이상 10차원까지의 6개 차원 등 이론상으로만 존재해온 이들을 강입자가속기로 검증하기 위해 한국의 물리학자 57명을 포함 9000명에 가까운 세계 물리학자들이 가동을 기다려왔다. 과학자들은 앞으로 교대로 강입자가속기를 지키며 모습을 드러낼지도 모를 이들을 기다릴 것이다. 강입자가속기 건설에는 약 80억 달러(약 8조원)가 투입됐다. 지상의 잡음과 환경의 영향을 최소화하기 위해 지하 100m에 터널을 뚫어 건설했다. 둘레가 27㎞에 이르는 원형이다. ◆양성자끼리 충돌시켜 힉스 재현 시도=양성자는 원자의 핵 속에 들어 있는 입자로 전자현미경으로도 보이지 않을 정도로 작다. 양성자를 무더기로 입자가속기에 넣은 뒤 가속기 터널을 1만 바퀴 정도 돌리며 빛의 속도에 가깝게 가속한다. 양성자 가속기가 가속되는 터널은 두 개로, 서로 방향이 반대다. 양성자끼리 가장 세게 충돌시키기 위해서다. 강입자가속기 가동 이후 얼마 정도 지나 각종 기기가 안정되면 가속기 안에서는 양성자끼리 1초에 6억 번 정도의 충돌이 일어나도록 한다. 그 충돌 순간의 온도는 태양 중심 온도의 약 10배에 이른다. 우주 만물을 구성하는 입자는 기본입자 12개와 힘을 전달하는 매개 입자 4개, 기본 입자의 질량을 결정하는 힉스 입자 등 17개다. 물리학에서 말하는 ‘입자의 표준 모형’이라는 이론상 그렇다. 이중 힉스를 제외한 모든 입자는 입자가속기를 통해 그 존재가 확인됐다. 힉스 입자는 양성자끼리 충돌하는 순간 태어났다 순식간에 사라질 것으로 예측하고 있다. 과학자들은 그 흔적을 역으로 추적해 힉스가 나타났었는지 아니었는지를 파악한다. 힉스는 빅뱅 순간 태어났다 지금까지 완전히 사라진 입자다. 원자 핵 속이나 가속기 안에서 충돌시키는 양성자 안에 있는 입자가 아니다. 서울대 물리천문학부 김수봉 교수는 “힉스는 현재 존재하지 않는 입자로 빅뱅 직후 환경에서나 볼 수 있다”며 “양성자가 충돌할 때 그런 환경이 만들어지며, 만약 존재한다면 가속기에 남은 흔적으로만 확인할 수 있다”고 설명했다. 강입자가속기가 힉스의 존재를 확인시켜준다면 표준 모형은 이론과 실험을 통해 완성되며, 우주 만물의 구성 입자를 설명할 수 있게 된다. 힉스 존재 여부를 확인하기까지는 앞으로 3~4년 정도 걸릴 것으로 과학자들은 예상하고 있다. 강입자가속기가 물리학의 새로운 지평을 열 것으로 기대하는 이유이기도 하다. ◆블랙홀에 대한 두려움은 기우=미국 전직 교사 출신 월터 와그너 등 6명은 “강입자가속기가 만들어 내는 블랙홀이 커져 지구를 삼킬지 모른다”며 “그 가동을 막아야 한다”고 하와이 법정에 올 3월 소송을 냈었다. 유럽입자물리연구소 측은 이에 대해 “단지 기우에 불과하다”고 일축했다. 김수봉 교수도 “가속기 안에서 블랙홀이 만들어질지 말지도 모르지만 설사 만들어진다 해도 눈깜짝할 사이보다 더 짧은 순간 생기는 초미니 블랙홀일 것”이라며 “인간이 체감하기도 전에 소멸해 버릴 것”이라고 강조했다. 초미니 블랙홀은 집어삼키는 것보다 더 많은 것을 방출하기 때문이라는 것이다. 박방주 과학전문기자 , 사진=중앙포토 ◆힉스 입자의 역할= 힉스 입자는 어떻게 다른 입자들에 질량을 부여할까. 1993년 영국 과학부장관 윌리엄 월드그레이브는 ‘힉스 입자의 작용을 쉽게 한 페이지로 설명하기’공모를 냈다. 다음은 당선작 중 하나의 요약. “방 안에 사람들이 가득 차 있고 당신이 이 방을 가로지른다고 가정하자. 바짝 마른 사람이라면 힘 안 들이고 방을 빠져나갈 수 있다. 그러나 뚱뚱한 사람이라면 이리저리 부딪치며 힘겹게 나아갈 것이다. 만일 이 방에 동창들이 모여 있고, 당신이 몇 년 만에 모습을 나타냈다면 악수하고 껴안고 하다 방을 나서면 완전히 지쳐버릴 것이다. 방을 가득 채운 사람들이 바로 힉스 입자이고, 방을 가로지르는 사람은 쿼크 등 다른 기본 입자에 해당한다. 지나가는 사람이 뚱뚱해서 자주 어깨를 부딪친다든지, 껴안고 반가워한다든지 하는 것은 힉스 입자와 기본 입자의 상호작용을 비유한 것이다. 각각의 기본 입자는 힉스 입자와 상호작용을 하는데, 이 때문에 어떤 입자는 보다 쉽게 움직이고 어떤 입자는 움직이는 데 힘이 많이 들게 된다.”