137억년前 우주탄생 ‘빅뱅’ 재현

'우주탄생' 비밀의 문 열리나

유럽입자물리연구소(CERN)가 최근 양성자 충돌 실험과정에서 우주 탄생 직후에 존재했을 것으로 보이는 새로운 물리현상을 발견했다. 이로써 우주 탄생.. 서울신문

 

137억년前 우주탄생 ‘빅뱅’ 재현

헤럴드경제 | 기사입력 2008.09.10 14:11

유럽입자물리학硏대실험 착수
오늘 초대형 입자가속기 가동
수소양성자 빔 발사 수주 소요
본격 충동실험은 연말께 가능

인간의 도전은 어디까지일까? 약 137억년 전 우주를 탄생시킨 '빅뱅(Big Bang.대폭발)'이 재현된다. 우주와 그 기원에 대한 대실험이다. 유럽입자물리학연구소(CERN)는 10일 제네바와 프랑스 국경지대 지하 100m, 길이 27㎞의 원형터널에 설치된 세계 최대의 입자가속기인 '대형강입자충돌기(LHC.사진)'를 가동해 빅뱅 재현 실험에 들어간다. CERN 측은 이날 오전 9시(한국시간 오후 4시)부터 위성방송과 웹방송으로 9시간 동안 실시간 중계를 할 예정이다. 일부에서는 이번 실험 과정에서 생긴 인공 블랙홀이 걷잡을 수 없이 팽창해 지구를 집어삼키거나 변화시킬 수도 있다고 우려하는 상황이어서 관심이 집중된다.

이번 실험에서 광속에 가까운 속도로 발사된 두 개의 수소 양성자 빔은 원형터널의 LHC 내에서 서로 반대 방향으로 진행하다가, 강력한 초전도 자석들에 의해 구부러져 4개의 대형 검출실에서 충돌하게 된다. CERN의 과학자들은 충돌 순간, 거대한 폭발을 통해 우주를 탄생시켰던 빅뱅 당시의 상황이 연출될 것으로 기대하고 있다. 첫 수소 양성자 빔은 이날 오전 9시30분 시계 반대방향으로 발사되고, 이것이 정상적인 것으로 확인되면 또 다른 수소 양성자 빔이 시계 방향으로 발사된다. 이후 두 개의 양성자 빔을 동시에 다른 방향으로 발사하는 작업은 앞으로 몇 주가 걸릴 예정이며, 본격적인 충돌 실험은 연말께나 가능할 것으로 예상된다.

두 양성자 빔이 충돌하면 알리스(ALICE), 아틀라스(ATLAS), CMS, LHCb 등 4개의 검출실에 설치된 초정밀 검출기들을 통해 수억개의 입자가 모니터되고 추적된다. 이번 실험의 목표는 '신(神)의 입자'로 불리는 '힉스 입자(Higgs Boson.반물질)'를 찾는 한편 우주의 대부분을 차지하고 있지만 여전히 베일에 가려 있는 '암흑물질'과 '암흑에너지'의 실체를 규명하는 데 있다. 과학자들은 특히 우주의 모든 입자들의 질량을 결정하는 힉스 입자가 발견되면, 질량의 기원에 대해 알게 돼 물리학 전반에 커다란 변혁이 올 것으로 보고 있다.

로베르 아이마르 CERN 사무총장은 "LHC는 우주에 대한 우리의 관점을 근본적으로 바꿔놓을 것으로 예상된다"면서 "어떤 발견이 이뤄지든 우리의 세계에 대한 인류의 이해는 훨씬 더 풍부해질 것"이라고 말했다. 한편 미국 페르미연구소의 입자가속기를 능가하는 것으로 평가받고 있는 LHC 건설은 1994년 시작돼 14년 동안 95억달러가 투입됐고, 전 세계 과학자 약 1만명이 참여했다. LHC는 양성자 빔을 1초에 1만1000번 회전시킬 수 있으며, 충돌 순간 빅뱅의 1000만분의 1초 상태를 재현할 것으로 기대된다. 김필수 기자(pilsoo@heraldm.com)

 

 

유럽 거대입자가속기가 고장났다고?

지난 10일 첫 가동을 시작한 유럽입자물리학연구소(CERN) 거대강입자가속기(LHC)가 두 달간 가동을 멈추고 점검에 들어간다. 지난 10일 전 세계의 주목을 받으며 첫 가동을 시작한 유럽입자물리학연구소(CERN) 거대강입자가속기(LHC)가 결국 두 달간 가동을 멈추게 됐다. CERN은 가동 열흘 만에 두 번째 고장을 일으킨 LHC의 손상이 당초 예상보다 심각해 최소 두 달간 작동을 멈춰야 한다고 지난 20일(현지시간) 밝혔다. 제임스 질리스 CERN 대변인은 20일 "쉽게 표현하자면 LHC는 아주 거대한 냉장고로 현재 전력 공급 부분이 고장났다"며 "전문가들이 손상 정도를 조사하기 위해 LHC에 들어간 결과 이 같은 결론을 내렸다"고 확인했다. 1994년 시작돼 14년간 95억달러를 투입해 건설한 LHC는 약 137억년 전 우주의 탄생 순간인 '빅뱅'을 재현해 '신(神)의 입자'로 불리는 힉스 입자를 찾기 위해 건설됐다. '암흑물질'과 '암흑에너지'의 실체 규명도 목표로 삼고 있다. [김은표 기자]       지하 100ｍ 아래 가속기서 미니빅뱅 실험 80개국 과학두뇌 9천여명 참여, 14년간 80억달러 투입…길이만 27㎞ 양성자끼리 1초에 6억번 충돌시켜   ◆세계최대 입자가속기 가동◆ 스위스와 프랑스의 국경 산악지대 인근 유럽입자물리연구소에 있는 거대강입자가속기의 검출기. 섭씨 영하 270도로 유지되며 신의 입자로 불리는 힉스의 흔적을 찾아내 존재 여부를 실증하기 위한 장치다. 힉스입자를 찾기 위해 스위스 제네바에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)가 빅뱅을 재현하기 위한 거대강입자가속기(LHC)를 지난 10일 가동하기 시작했습니다. 하지만 아마도 힉스입자만큼이나 가속기란 것도 처음 접해 보신 분들이 많으실 텐데요. 과연 가속기는 무엇을 위해 발명했고 어떤 원리로 작동하는 걸까요. 우선은 가속기 원리와 종류를 알아본 후 LHC와 국내 대표적 가속기인 포항방사광가속기를 통해 가속기에 대해 더 자세히 알아보도록 하겠습니다. ◆ 미세 세계를 관찰하는 가속기 = 대체 가속기는 왜 필요한 걸까요. 원래 가속기는 20세기 물리학 발전에 따라 미세한 입자들을 관찰할 수 있는 새로운 도구가 필요했기 때문에 발명됐습니다. 바로 가속기를 이용해 중성자나 쿼크와 같은 미세 입자를 발견할 수 있었죠. 하지만 지금 가속기는 물리학에서뿐만 아니라 생명공학이나 의학, 정보통신 분야까지 다양하게 활용되고 있습니다. 프랑스 상공에서 내려다본 유럽입자물리연구소 전경. 노란선은 지하에 묻혀 있는 거대강입자가속기 터널로 무려 27㎞에 달한다. 작은 동그라미는 입자 간 충돌을 일으키는 검출기와 관측기가 설치된 장소. 그럼 가속기는 어떤 원리로 작동하는 걸까요. 먼저 가속기란 전하를 띤 입자를 생성해 이를 가속시키고, 자기장을 이용해 가속된 입자를 원하는 표적으로 이동시키는 장치를 뜻합니다. 이렇게 입자를 가속시키고 충돌시키는 과정에서 과학자들은 새로운 미세입자들을 관찰할 수 있게 되는 거죠. 가속기는 높은 전위차를 이용해 이온을 가속시킵니다. 전기장을 이용해 높은 전위차를 걸어주고, 이온을 그 높은 전위차에 통과시키면 이온은 로렌츠의 힘에 의해 가속됩니다. 한편 가속된 이온 빔은 전자석 장치에 의해 진행 방향을 바꿔줄 수 있습니다. 가속기 종류는 다양하게 구분할 수 있습니다. 모양에 따라 선형과 원형으로 나눌 수 있고, 이온을 가속시킬 때 사용하는 파장에 따라 정전기장과 고주파로 분류할 수 있습니다. 가속하는 입자에 따라 분류할 수도 있습니다. 전자, 강입자, 이온, 방사성 이온 중 무엇을 가속하느냐에 따라 분류할 수 있는 거죠. ◆ 유럽입자물리연구소(CERN)의 세계최대 강입자가속기(LHC) = 그럼, 이제 LHC에 대해 자세하게 알아보도록 할까요. 우선 LHC는 스위스 제네바와 프랑스 국경에 놓인 산악지대에 위치해 있습니다. LHC는 전체 길이와 둘레가 각각 27㎞에 달하는 거대한 원형 규모를 자랑합니다. 하지만 막상 LHC 현장에는 통풍시설, 냉각시설 등 몇몇 시설동만 볼 수 있습니다. 거대한 원형가속기 본체는 지하 깊숙이 묻혀 있기 때문입니다. 이는 지상 잡음과 환경 변화에 따른 영향을 최소화하기 위해서인데요. 이를 위해 가속기는 지하 100ｍ에 터널을 뚫어 건설했습니다. 처음 LHC 기획은 1994년에 이뤄졌고 이후 건설비로만 80억달러(약 8조원)가 투입됐습니다. 참여하는 과학자도 80개국 9000여 명에 달하는데, 한국 과학자 60여 명도 이 프로젝트에 직접 참여하고 있습니다. 과학자들은 전자현미경으로도 볼 수 없는 매우 작은 양성자를 입자가속기에 넣은 뒤 가속기 터널을 1만바퀴가량 돌리면서 양성자를 빛의 속도에 가깝게 가속합니다. LHC 가동이 계속되면서 각종 기기가 안정되면 가속기 안에서는 양성자끼리 1초에 6억번 정도 충돌이 일어나게 됩니다. 충돌 순간 온도는 무려 태양 중심 온도의 10배에 달할 정도에 이릅니다. LHC 핵심시설은 양성자 간 충돌이 발생하는 충돌기인데요. LHC의 총 6개 교차점에는 각각 관측기가 설치돼 있습니다. 관측기 중 '아틀라스(ATLAS)'와 'CMS'가 가장 많이 쓰이게 될 전망입니다. ■ 포항 방사광가속기, 단백질등 생체분자 연구 포항공대 안에 위치한 포항 방사광가속기는 단백질 구조를 밝혀내거나 단백질이 인체에서 어떤 역할을 하는지 연구한다. 포항 방사광가속기는 전자를 이용해 아주 높은 에너지의 빛을 만드는 일종의 '빛공장'입니다. 높은 에너지의 빛을 만드는 이유는 바로 눈에 보이지 않는 작은 물체들을 보기 위해서입니다. 방사광가속기는 일종의 거대 현미경이라고 볼 수도 있죠. 특히 포항 방사광가속기는 단백질 등 생체분자 모습을 연구하는 데 큰 도움을 줬습니다. 단백질 구조를 밝혀내거나 단백질이 인체에서 어떤 구실을 하는지 관찰하는 데 포항 방사광가속기는 유용하게 사용되고 있습니다. 현재 포항 방사광가속기는 포항공대 안에 위치해 있습니다. 1994년 준공했는데 가속기 건설에 당시 무려 1500억원이라는 천문학적인 자금이 투입돼 포항 방사광가속기는 '단군 이래 가장 비싼 실험장비'로 불리기도 했습니다. 가속기를 직접 이용하기 위해서는 빛이 나오는 곳을 의미하는 빔라인이 필요한데, 1994년 단 2기의 빔라인으로 출발한 포항 방사광가속기는 현재 빔라인을 27개까지 늘렸습니다. 아주 높은 에너지의 빛을 만들기 위해 포항 방사광가속기는 크게 전자총, 선형가속기, 저장링 3부분으로 구성돼 있습니다. 우선 전자총에서는 항상 8만V 전압을 유지하며 전자를 발사시킵니다. 발사된 전자는 150ｍ 길이 선형가속기를 통과하며 빛의 속도에 가깝게 빨라집니다. 이렇게 빠른 속도를 내게 하기 위해서는 무려 20억전자Ｖ(2GeV)의 에너지가 들어갑니다. 빛의 속도로 가속된 전자는 원형의 저장링으로 들어갑니다. 전자가 저장링에서 빛의 속도로 돌면서 빛이 빔라인을 통해 방출됩니다. 이렇게 방출된 빛을 이용해 여러 실험이 진행됩니다. [김제관 기자]

우주탄생 비밀 밝힐 '힉스입자' 찾아라

입자를 구성하는 최소 단위는 쿼크 쿼크의 무게를 결정하는 건 힉스 입자 가상의 힉스 찾아내야 만물근원 규명

◆원자에 담긴 우주 탄생의 비밀◆ 작은 티끌 안에 우주가 다 들어있다는 말을 혹시 들어보셨나요. 실제로 과학에서는 티끌보다 더 작은 것들이 우주 탄생의 비밀을 풀어주는 단서를 제공해 줄 수 있습니다. 유럽입자물리학연구소(CERN)는 최근 제네바 인근 프랑스 국경지대에서 '빅뱅'을 재현하기 위한 거대강입자가속기(Large Hadron ColliderㆍLHC)를 처음으로 가동하기 시작했습니다. LHC의 가장 큰 목표는 원자보다, 중성자보다 훨씬 더 작은 '힉스 입자'를 찾는 겁니다. 이 작디 작은 입자가 우주 탄생은 물론 우리가 살고 있는 물질 세계의 원리에 대해서도 설명해 줄 수 있습니다. 우주 탄생의 비밀을 말해주고 인류의 삶을 획기적으로 발전시킨 미세 세계의 과학을 이해하기 위해서는 우선 미세 세계에 어떤 것들이 존재하고 있는지 알아봐야겠죠. 미세 세계에는 우리가 흔히 아는 원자, 중성자는 물론 이번에 대형 강입자가속기(LHC)에서 밝혀내고자 하는 힉스입자 등 다양한 입자들이 존재하고 있습니다. 그럼 대체 이 입자들이 어떤 과정을 거쳐 발견됐고 어떤 역할을 하는지 알아볼까요. ◆ 더 이상 쪼깰 수 없는 그 무엇을 찾아서 사람들은 옛날부터 세상이 무엇으로 만들어졌는지에 대해 끊임없이 고민해 왔습니다. 그 대표적인 예가 고대 그리스에서 세상이 물, 불, 공기, 흙 네 가지로 이뤄졌다는 '4원소'설을 들 수 있습니다. 물과 불 등의 물질들을 계속 잘게 쪼개다 보면 결국 세상의 근원이 되는 물질을 알 수 있지 않을까 하는 연구는 그리스 이후에도 계속돼 왔습니다. 이렇게 더 이상 쪼갤 수 없는 그 무엇에 대한 탐구는 지금도 과학을 발전시키는 원동력으로 작용하고 있죠. 과학자들은 세상의 모든 물질을 쪼개고 또 쪼개면 결국 더 이상 쪼갤 수 없을 만큼 작은 알갱이가 남게 된다는 사실을 밝혀냈습니다. 그리고 1913년에는 드디어 덴마크의 물리학자 닐스 보어가 현재 우리가 알고 있는 것과 같은 원자 모델을 발표했죠. 원자의 발견은 20세기 과학의 최대 성과인 양자역학을 태동하게 만들었습니다. 그런데 연구를 하다 보니 과학자들은 원자 알갱이마다 그 성질이 조금씩 다르다는 것을 알게 됐습니다. 그리고 원자들의 특성을 하나씩 분석해 본 결과, 지구상에는 모두 92개의 서로 다른 특성을 가진 원자가 존재하고 있다는 것을 밝혀냈죠. 과학자들은 각각의 서로 다른 원자들을 구분하기 위해 '원소'라는 또 다른 이름을 붙여줬습니다. 힉스입자의 흔적을 그린 가상도 ◆ 원자를 넘어 양성자와 중성자를 발견하다 하지만 연구가 거듭된 결과 과학자들은 더 이상 쪼갤 수 없을 줄 알았던 원자도 사실은 더 작은 조각으로 나눠진다는 사실을 밝혀냈습니다. 한 덩어리인 줄 알았던 원자가 실은 한가운데 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이뤄져 있고, 원자핵은 양성자와 중성자라는 서로 성질이 다른 더 작은 알갱이가 뭉쳐져 이뤄진 것을 밝혀낸 거죠. 건전지의 양(+)극과 음(-)극처럼 양성자는 양극, 전자는 음극을 띠고 있으며 중성자는 극성이 없다는 것도 알아냈습니다. 원소마다 조금씩 다르지만 원자의 크기는 대략 1나노미터(㎚) 정도입니다. 1나노미터는 1ｍ의 10억분의 1입니다. 인간의 눈은 물론 일반 현미경으로는 식별할 수 없을 정도로 작은 크기죠. 그런데 원자핵은 그 크기가 더더욱 작아서 원자 크기의 약 1만분의 1에 불과합니다. 숫자로만 설명하면 잘 이해가 안 될 수도 있어 비유를 들어 설명하자면, 원자를 축구경기장 크기라고 하면 원자핵은 축구공 한 개 크기 정도입니다. 전자는 훨씬 더 작아서 경기장 관중석의 개미 정도 크기라고 생각하면 됩니다. 그러니까 원자에서 원자핵을 제외한 부분은 거의 빈 공간이나 다름없는 셈입니다. 그런데 덩치가 작은 원자핵의 질량은 사실 원자 전체 무게의 99.99%를 차지하고 있습니다. 그만큼 원자핵 속에 양성자와 중성자가 단단하게 결합돼 있다는 뜻입니다. 이렇게 단단하게 결합된 구조를 깨면 마치 탱탱한 풍선을 바늘로 찔렀을 때 뻥 소리를 내며 터지듯 걷잡을 수 없는 힘이 나오게 됩니다. 이게 바로 원자력발전의 원리죠. ◆ 힉스입자 발견이 현대 과학을 완벽하게 만들어줄 것 아마 여러분도 양성자와 중성자까지는 알고 계실 거 같은데요. 하지만 힉스입자는 대부분 처음 듣는 입자일 겁니다. 이번에 유럽의 LHC를 가동하는 가장 큰 목표가 바로 힉스입자의 발견인데요. 도대체 힉스입자가 뭐기에 전 세계 과학계는 발견을 고대하는 것일까요. 힉스입자는 간단히 말해 입자의 질량을 결정하는 입자입니다. 아까 알아본 것처럼 물질 구성의 기본 단위인 원자는 원자핵과 전자로 구성돼 있고, 원자핵 내부에는 양성자와 중성자가 공존하고 있습니다. 하지만 하나 더 알아야 될 것이 양성자와 중성자도 역시 '쿼크'라는 더 작은 입자로 구성돼 있다는 것입니다. 그리고 힉스입자는 바로 이 입자의 최소 단위인 쿼크의 질량을 결정해 주는 입자입니다. 현대 물리학계에서는 '입자의 표준모형'이라는 걸 기정사실처럼 받아들이고 있는데요. 표준모형에 따르면 세상에는 기본입자 12개와 힘을 전달하는 매개입자 4개, 그리고 힉스입자 등 17개의 입자가 존재합니다. 그런데 문제는 표준모형의 기본입자와 매개입자 16개의 경우 실험을 통해 그 존재가 입증된 데 비해, 힉스입자는 지금까지 그 존재 여부를 전혀 확인하지 못했다는 점입니다. 힉스입자가 존재해야 표준모형 자체가 성립되는 만큼 물리학계에서는 힉스입자의 발견이 넘어야 할 마지막 산으로 남아 있는 상태입니다. 왜 힉스입자를 발견하지 못했느냐고 반문할 수 있겠죠. 그 이유는 아이러니하게도 힉스입자가 현재 물질계에는 존재하지 않기 때문입니다. 물리학자들은 힉스입자가 우주 태초의 빅뱅 순간에 잠시 존재했다가 지금은 완전히 사라져 버렸다고 설명합니다. 따라서 LHC라는 특수 장비를 이용해 빅뱅의 순간을 재현할 수 있다면 우리는 LHC 내부에서 양성자들이 서로 충돌하는 과정 중 힉스입자가 매우 짧은 순간에 그 모습을 나타내는 것을 발견할 수 있을 겁니다. 힉스입자는 우주의 대부분을 구성하는 암흑물질을 설명하는 데도 필요합니다. 과학자들은 우주의 모든 물질 외에 정체불명의 암흑물질이 전체 우주질량의 73%를 차지하고 있다고 보는데, 이 암흑물질의 구성 성분 중 하나가 바로 힉스입자일 수도 있기 때문입니다. [김제관 기자]