[뉴스] '빅뱅머신' 고에너지에서 힉스입자 생성 어떻게?

[가속·충돌 원리 동영상 참조] 

 LHC 첫 양성자 충돌실험 성공 계기로 LHC참여 최영일 교수한테 물어봤습니다!

"고에너지 왜 구현하려 하는지, 고에너지에서 새 입자 어떻게 생성되는지"

   


  • LHC 안에서 일어나는 양성자의 가속과 충돌 과정을 보여주는 동영상



히 ‘빅뱅 머신’이라고 불리는, 유럽입자물리연구소(CERN)에 있는 거대 강입자 충돌기 또는 가속기(LHC)가 30일 드디어 정상 가동을 시작했습니다. 아래는 <한겨레> 국제면에 보도된 기사입니다. 먼저 간략한 뉴스를 보시지요.


빅뱅 비밀 풀릴까…강입자가속 충돌실험 성공

137억년 전 빅뱅(우주 대폭발)의 비밀을 풀어줄까? 30일 전세계에서 원격 모니터를 지켜보던 핵물리학자들이 환호성을 올렸다. 샴페인잔도 채워졌다. 유럽입자물리연구소(CERN)가 스위스 제네바 인근 지하에 위치한 세계 최대 규모의 강입자가속기(LHC) 터널에서 총 7TeV(테라전자볼트)의 고에너지로 양성자 빔을 충돌시키는 데 성공했음을 발표한 순간이었다.


이날 충돌실험의 가동 에너지는 이제까지 입자가속기들이 달성했던 수치의 3배가 넘는 기록적인 것이라고 <에이피>(AP) 통신 등 외신들이 전했다. 연구진은 절대온도 0도(영하 273도)에 가까운 총연장 27㎞의 원형 궤도 터널 내에서 서로 반대 방향으로 각각 3.5TeV 에너지의 양성자 빔을 광속에 가까운 속도로 쏴 충돌시키고 데이터를 기록하는 데 성공했다. 연구소의 올리버 부흐뮐러 연구원은 “우리는 이전에 아무도 가보지 않은 영역에 발을 디뎠으며 물리학의 새로운 지평을 열었다”고 말했다.


대형 강입자가속기는 빅뱅의 비밀을 풀어줄 것으로 기대를 한 몸에 받으며 1994년 착공해 95억달러를 투입해 2008년 완공됐지만 이내 두차례 고장으로 멈춰선 뒤 수리와 개선에만 모두 4000만달러가 들었다. 이날 실험 데이터가 기록되면서 과학계는 ‘신의 입자’라 불리는 힉스 입자(Higgs Boson)의 존재가 확인될지 주목하고 있다. 또 이번 실험은 각각 우주의 25%와 70%를 차지하는 암흑물질과 암흑에너지의 존재를 규명할 수도 있을 것으로 기대되고 있다. [한겨레 김영희 기자 dora@hani.co.kr

     

 higgs2

 

인터뷰

LHC 실험 참여 최영일 성균관대 교수



대 강입자 충돌기의 정상 가동을 계기로, 거대가속기 실험에 참여하는 ‘시엠에스(CMS) 한국사업단’의 대표 최영일 성균관대 교수한테 이번 충돌 실험 성공의 의미와 앞으로 이뤄질 실험들에 관해 여쭈었습니다. 아래는 인터뷰의 일문일답을 정리한 것입니다.


choiYI2 » 최영일 교수. 사이언스온: 뉴스를 보니 7테라전자볼트(TeV) 규모의 고에너지를 구현하는 데 성공했다고 하는데요, 이게 어느 정도 규모인지 감이 안 잡힙니다.

최영일 교수: 원래 계획했던 에너지 규모의 딱 절반입니다. 처음에는 14테라전자볼트 에너지를 구현하는 것을 목표로 삼았지요.


온: 왜 줄었나요. 지난번 가동 중단 사고와 관련돼 있나요?

최: 2년 전에 내부의 일부 장치가 타면서 상당한 충격을 입었지요. 이후에 문제점을 고치려는 많은 연구들이 이뤄지기는 했지만, 갑작스레 원래 목표인 14테라전자볼트까지 에너지를 높이는 데에는 신중해진 것 같습니다. 14테라전자볼트 에너지의 구현이 불가능하다는 것은 아니지만 여전히 불확실성도 있고, 그래서 지금 조심스럽게 나아가고 있습니다. 하지만 절반 규모라 해도 세계 최고입니다. 지금까지 미국 페르미랩 가속기가 지닌 2테라전자볼트 에너지 규모가 최고 기록였는데, LHC의 7테라전자볼트는 그것의 3.5배나 되는 것이니까요.


온: 충돌 에너지가 그 정도로 높아졌다는 것이 어떤 의미를 지니지요?

최: 지금까지 우리가 경험해보지 못한 에너지 영역을 보게 됐다는 것이지요. 그러니까 연구할 게 더 많아지겠고요. 그렇게 높은 에너지 영역에서는 뭐가 나올지 모르고, 지금까지 관측되지 않았던 새로운 입자들이 발견될 수도 있습니다. ‘힉스’ 입자가 어느 규모의 에너지 영역에서 존재하는지 실제로 확인한 적이 없고 이론적으로만 예측돼왔으니까, 7테라전자볼트 규모의 에너지에서도 생성될 가능성은 있습니다. 그러니까 예전에 14테라전자볼트의 충돌 에너지 때 본격적으로 다뤄질 것으로 기대했던 연구 주제들이 사실 7테라전자볼트 에너지 영역에서도 다 유효한 것이지요. 물론 에너지가 절반으로 줄어들었으니까, 새로운 입자들이 발견될 ‘확률’은 애초 기대보다는 더 줄어들겠지만 말입니다.


온: LHC의 첫번째 가동 때에 여쭈었던 물음을 다시 하지요. LHC 충돌 실험에서 다루려는 연구주제들로는 주로 뭐가 꼽히나요?

최: LHC에선 양성자 충돌 실험을 통해 ‘신의 입자’라 불리는 힉스 입자를 찾아내고, 초대칭 입자가 존재하는지 확인하며, 암흑물질의 후보 입자를 찾고 3차원 이상의 여분 차원이 있는지, 또 미니 블랙홀이 실제로 만들어지는지 확인하는 연구를 합니다. 이 모든 실험은 두 곳에서 이뤄져 데이터 검출 결과가 일치하는지 확인하는데, 그 두 검출장치가 바로 아틀라스와 시엠에스입니다. 이와 별개로 앨리스라는 장치는 납의 핵(양성자+중성자)을 서로 충돌시켜 더 작은 입자인 쿼크와 글루온(쿼크들을 잇는 접착제 구실을 하는 소립자)이 핵에서 자유롭게 떨어져 나오는, ‘쿼크와 글루온의 소립자 숲’, 곧 우주 태초의 플라스마 상태를 구현하는 실험을 주로 합니다.


온: 힉스 입자, 초대칭 입자, 암흑물질 후보 입자의 존재를 찾고, 3차원 이상의 여분 차원이 있는지 미니 블랙홀을 실제로 만들 수 있는지 확인하는 일이 주된 관심사이군요. 한국은 어느 실험 그룹에 얼마나 참여하고 있는지요?

최: LHC에는 모두 6개의 검출기(아래 그림 참조)를 중심으로 6개의 연구그룹이 모여 있습니다. 대형 검출기와 연구그룹으로는 아틀라스(ATLAS)와 시엠에스(CMS)가 있으며, 중형 규모로는 앨리스(ALICE)와 엘에이치시-비(LHC-B), 그리고 소형 규모 2개가 더 있지요. 한국은 시엠에스 그룹(한국대표 최영일 교수)와 앨리스 그룹(한국대표 부산대 유인권 교수)에 각각 60여명과 20~30명의 교수·학생들이 참여 중입니다. 시엠에스 쪽에는 현재 한국 연구원 4명과 학생 10여명이 CERN에 상주하고 있지요.

LHC » 그래픽 / 한겨레  


온: 다시 LHC 실험 얘기로 돌아가서 여쭙지요. 이번 실험 성공의 의미를 물리학자들은 대체로 어떻게 보시는지요?

최: 이전까지 경험하지 못했던 7테라전자볼트라는 매우 높은, 새로운 영역의 에너지로 가속기가 안정적으로 돌아가니까, 그동안 페르미랩의 2테라전자볼트 에너지에서 볼 수 없었던 충돌 실험의 결과를 볼 수 있게 된 겁니다. 앞에서 말씀드린 대로 애초 기대보다 에너지는 절반으로 낮췄지만, 원래 기대했던 실험과 연구를 다 할 수 있어요. 물론 기대 확률은 줄어들었지요.


온: 일반인들이 궁금해하는 것은 왜 그토록 높은 고에너지를 구현하려고 하느냐 하는 점입니다.

최: 글쎄요. 우리가 찾는 새로운 입자들이, 예를 들어 힉스 입자가 질량이 무거운 것이라면 그건 에너지도 높다는 뜻입니다. 에너지-질량 등가의 원리가 그걸 말해주지요. 무거운 질량의 입자를 만들려면 에너지가 무척 높지 않으면 안 됩니다.


온: 우리 주변의 무거운 질량 물질들, 상온의 입자들은 고에너지에서 만들어진 게 아니잖습니까?

최: 그건 이미 만들어져 있는 물질이지요. 그런 입자를 만들려면 역시 '에너지-질량 등가의 원리'에 따라 그만큼의 에너지가 필요한 것입니다. 힉스 입자 같은 것은 작은 에너지로는 만들지 못해요. 그래서 고에너지가 필요하고요.


온: 잠깐만요, 교수님! 흔히 두 양성자를 엄청난 속도로 충돌시켜 그 속에서 힉스 입자의 생성을 일으킨다는 개념으로 가속기 충돌 실험을 이해하는 경우가 많은데, 좀 더 설명이 필요한 것 같습니다. 교수님 말씀은 두 양성자가 충돌할 때 입자는 소멸하고 엄청나게 큰 에너지만 남게 되며, 다시 그 에너지가 질량을 지닌 입자로 변환하는 순간이 존재하는데 그때에 힉스 입자도 생성될 수 있다, 이렇게 말씀하시는 것으로 들리네요.

최: 맞습니다. 양성자와 양성자가 엄청난 속도로 운동하다가 서로 충돌할 때 양성자의 쿼크 소립자들도 정면 충돌해 소멸하게 되지요. 소립자는 사라지고 에너지로 변하는 겁니다. 그때에 그 에너지의 영역에 해당하는 새로운 입자가 만들어지는 겁니다. 양성자가 깨져 힉스 입자가 튀어나오는 게 아니고, 입자 충돌로 생성된 에너지가 다시 물질로 변환될 때에, 엄청난 에너지가 엄청난 상태라면 큰 질량의 입자들도 찰나 순간에 생성돼 존재할 수 있다는 얘기이지요. 그것을 검출하는 게 LHC에서 하는 일입니다.


온: 힉스 입자가 양성자보다 더 무겁습니까?

최: 훨씬 더 무겁지요. 힉스의 질량은 아마 양성자 질량의 150~160배 정도 될 것으로 예측됩니다. 몇 백배가 될 수도 있겠지만요. 양성자의 질량은 대략 1기가전자볼트(GeV)가 채 안 됩니다. 그런데 힉스 질량은 150~160기가전자볼트 정도 될 것으로 예측되고 있습니다.

higs » 강입자가속기 안에서 거의 빛과 같은 속도로 가속하던 양성자들이 충돌하는 순간에 힉스 근본 입자 등이 생성되는 모습을 그린 가상도. (맨왼쪽) / 거대강입자가속기는 스위스 제네바 부근 지하 터널에 둘레 27㎞의 초대형 규모(가운데 사진, 원 표시)로 건설됐다. 오른쪽 사진은 건설 중인 강입자가속기의 내부 장치 모습. 출처: CERN  


온: 다시 잠깐만요! 교수님, 1기가전자볼트의 에너지를 지닌 양성자 2개를 충돌시켜 어떻게 150기가~160기가전자볼트의 에너지와 동일한 힉스 입자를 만들 수 있나요?

최: 양성자 질량은 정지해 있을 때 1기가전자볼트의 에너지를 지니지만, 만역 엄청난 속도로 가속을 시키면 운동에너지도 엄청나게 높아지고, 그래서 하나의 양성자가 지닌 총 에너지가 3.5테라전자볼트에 이르게 될 때에 충돌시키는 것이지요. 그러면 7테라전자볼트의 에너지가 생기겠지요. 그 엄청난 에너지가 물질화할 때에, (낮은 에너지 영역에서는 존재할 수 없는) 무거운 질량의 힉스 입자도 생성될 가능성이 생기는 겁니다. 힉스뿐 아니라 다른 무거운 질량의 초대칭 입자, 암흑물질 후보입자들도 생성될 가능성이 생기지요.


온: 물론 힉스 입자는 순간적으로 생성됐다가 사라지겠지요?

최: 그렇지요. 곧바로 붕괴합니다. 소립자들은 모두 수명을 지닙니다. 물론 전자는 무한히 생존하지만 다른 소립자들은 대부분 짧은 순간만 살고 다른 물질로 붕괴합니다. 힉스 입자도 마찬가지이지요. 붕괴돼 나온 입자들의 신호들를 역추적해 힉스의 존재를 추정하게 되는 것이지요.


온: 그러면 힉스 입자의 존재를 직접 보여주는 신호를 검출하는 것은 아니군요.

최: 그렇습니다. 무수히 많은 충돌을 일으킬 때에 힉스 입자는 아주 드물게 생성됩니다. 예를 들어 수십억 개의 양성자 충돌 사건에서 1개의 힉스 입자가 생성된다면, 수백억 개의 양성자 충돌 사건을 일으켜야 10개의 힉스 입자를 추적할 수 있겠지요. 그래서 무수한 충돌 실험을 되풀이, 되풀이하면서 쉽게 발견되지 않는 입자들의 존재를 찾으려 하는 것이지요.


온: 충돌 실험이 계속되겠군요. 언제 쯤에 실험결과들이 나올까요?

최: 이번 가속기 가동은 대략 1년6개월에서 2년 동안 계속하기로 했습니다. 충돌 실험이 계속되고 엄청난 양의 데이터들이 쌓이겠지요. 실험 결과는 연구주제에 따라 발표되는 시기가 다를 겁니다. 관심사가 되는 힉스 입자의 발견은 아마도 몇 년은 더 기다려야 할 것으로 예측하고 있습니다. 충분한 데이터가 쌓여야 하니까요. 충돌 에너지를 낮춰 가동하고 있으니까, 발견 확률은 애초 기대보다는 좀 더 줄은 상태로 여겨집니다. 지금은 첫 충돌 실험이 성공한 것입니다. 앞으로 수많은 충돌 실험을 거듭하면서 데이터를 받고 저장하고 거르고 분석하고, 이런 여러 단계를 거쳐서 결과들이 나타날 겁니다. 어떤 연구결과는 간단하게 나올 수 있고, 어떤 것은 성격에 따라 오래 걸릴 수 있습니다. 하지만 이미 현재의 에너지 영역만으로도 우리가 경험하지 않았던 새로운 에너지 영역에서 실험을 하게 되니까, 그동안 이론으로만 예측하고 실제로는 관측되지 않았던, 또는 전혀 알지 못했던 새로운 입자들이 발견될 수도 있다는 점이 기대됩니다.


온: 거대 가속기가 물질과 우주에 관한 우리의 기존 인식을 어떻게 바꿔놓을지 기대가 큽니다. 친절한 설명 고맙습니다.


오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr   

@한겨레 과학웹진 사이언스온   

 


 

[고침] 여러 군데에서 오탈자와 어색한 문장을 다듬었습니다. 2010년 3월31일 오후 5시25분.

  • 구글
  • 카카오
  • 싸이월드 공감
  • 인쇄
  • 메일
오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

최신글




최근기사 목록

  • [알림] 사이언스온이 미래&과학으로 바뀝니다[알림] 사이언스온이 미래&과학으로 바뀝니다

    뉴스사이언스온 | 2017. 12. 11

    미래/과학/기술/환경 뉴스와 비평, 연재물 서비스사이언스온 옛 글들은 지금처럼 접근 가능합니다 독자님들께안녕하세요. 그동안 작은 도전이었던 한겨레 과학웹진 사이언스온의 필자들을 격려해주시고 또 웹진을 사랑해주신 모든 독자분들께 감사의 말씀을 ...

  • “언어사용 패턴은, 몸의 스트레스 보여주는 지표”“언어사용 패턴은, 몸의 스트레스 보여주는 지표”

    뉴스오철우 | 2017. 11. 07

    특정 언어사용패턴과 스트레스 관련 유전자발현 사이에 ‘상관성’“무의식적 언어패턴이 의식적 자가보고보다 측정정확도 더 높아” 일상언어 사용의 패턴이 말하는 이 자신도 잘 모르는 몸의 스트레스 반응을 알려주는 지표로 사용될 수 있다는 연구결...

  • 정교해진 유전자가위…‘염기’ 하나만 바꾼다정교해진 유전자가위…‘염기’ 하나만 바꾼다

    뉴스오철우 | 2017. 11. 07

    ※ 이 글은 한겨레 11월6치 '미래&과학' 섹션 지면에 실렸습니다. 지면 편집 과정에서 분량을 줄이기 이전 원고를 사이언스온에 올립니다. 편집 과정에서 달라진 부분이 있습니다.정교해진 유전자가위염기 하나만 바꿔치기[미래&과학] 주목받는...

  • ‘노화는 불가피하다 -논리적으로, 수학적으로’‘노화는 불가피하다 -논리적으로, 수학적으로’

    뉴스오철우 | 2017. 11. 03

    수학적 모형 분석 논문 ‘눈길’세포간 경쟁과 선택, 노화와 암의 ‘딜레마’ 같은 상호관계 다뤄‘노화는 불가피하다. 논리적으로도, 이론적으로도, 수학적으로도 노화를 멈추는 것은 불가능하다.’노화를 일정 정도 늦출 순 있어도 멈출 순 없다는 ...

  • 염기 하나만 바꾸는 단일염기 수정기법의 '확장'염기 하나만 바꾸는 단일염기 수정기법의 '확장'

    뉴스오철우 | 2017. 10. 26

    시토신-구아닌 쌍을 티민-아데닌 쌍으로 ‘점 수정’ 이어아데닌-티민 쌍을 구아닌-시토닌 쌍으로 수정기법 개발하버드대학 리우 교수와 MIT 펑 장 교수 각각 성과 발표 크리스퍼 유전자 가위 기법의 기본 원리를 이용하되 디엔에이(DNA) 두 가닥을 ...

자유게시판 너른마당

인기글

최근댓글

트위터 팔로우

sub2 untitled