스위스 제네바에 있는 유럽물리연구소(CERN)는 '거대 강(强)입자 가속기'(LHCㆍLarge Hardron Collider)를 10일 오전 9시30분(한국시간 오후 4시30분) 첫 가동시켰다.
이번 실험은 현대 물리학계의 최대 과제 중 하나인 표준모델(Standard Model)을 입증할 것으로 기대를 모으고 있다.
1994년부터 14년 동안 무려 95억달러(약 10조원)가 투입된 LHC 건설에는 유럽 아시아 미국 러시아 등 전 세계 과학자 약 1만명이 참여했다.
우리나라에서도 성균관대 물리학과 최영일 교수와 고려대 물리학과 박성근 교수 등 석ㆍ박사 연구원 57명이 참여하고 있다.
⊙ 질량의 기원을 밝힐 힉스입자
이번 실험의 1차 목표는 입자물리학계의 큰 숙원인 힉스(Higgs Bosonㆍ반물질)라는 가상의 입자 존재를 확인하는 것.
힉스 입자는 물리학 표준모형이 제시한 근본 입자들 중에서 관측이 안된 채 남아있는 마지막 입자로 과학자들이 지금까지 밝혀낸 모든 소립자들은 힉스 입자가 있다는 것을 전제로 하고 있다.
우주의 모든 입자들의 질량을 결정하는 이 입자가 발견되면 질량의 기원을 밝힐 수 있어 물리학에 큰 변혁이 일어날 것으로 예상된다.
실험의 기본 구조는 2개의 양성자 빔을 LHC 원형터널에서 서로 반대 방향으로 빛에 가까운 속도로 가속시킨 뒤 강력한 초전도 자석들로 4개의 대형 검출실로 유도해 충돌시키는 것이다.
지하 100m에 건설된 LHC는 둘레 27㎞，지름 8㎞에 이르는 원주형의 세계 최대 실험장비로 기존의 미국 일리노이주 소재 페르미연구소 가속기보다 훨씬 빠르게 양성자를 가속시켜 더욱 강력한 충돌을 일으킬 수 있다.
LHC에서 2개의 수소 양성자 빔들은 서로 반대쪽으로 진행하다가 강력한 초전도 자석에 의해 구부러져 충돌하면서 1000만분의 1초라는 짧은 시간 동안 빅뱅 당시와 비슷한 엄청난 에너지를 발생시킨다.
이때 과학자들은 앨리스(ALICE), 아틀라스(ATLAS), CMS, LHCb 등 4개의 검출실에 설치된 초정밀 검출기들을 통해 수억개의 충돌 파편들을 모니터하고 추적하게 된다.
'신의 입자를 찾아서'의 저자인 고등과학원(KIAS) 물리학부 이종필 박사는 "이번 LHC 실험은 인류가 전대 미문의 에너지 영역으로 들어간다는 것을 의미한다"면서 "힉스 입자를 찾아 내는 것 이외에도 우주의 대부분을 구성하는 암흑 물질，여러 힘을 하나로 통합하는 초끈이론을 설명할 수 있는 초대칭입자 등도 관찰할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
⊙ 오는 10월 본격적인 충돌실험 돌입
이날 첫 수소 양성자 빔은 이날 오전 9시36분에 발사돼 오전 10시28분 시계 방향으로 원형터널을 한 바퀴 돌았다.
원형터널의 LHC 내 궤도를 1회전하는데 걸린 시간은 52분 정도였다.
이 순간 CERN의 컨트롤 센터에서 함께 상황을 지켜보던 로베르 아이마르 사무총장을 비롯한 세계 각국의 과학자들은 일제히 박수를 치면서 환호했다.
첫 번째 양성자 빔이 정상적인 진행을 마치고 CERN은 두 번째 양성자 빔을 시계 반대 방향으로 발사했으며 역시 정상적으로 작동돼 낮 12시1분께 1회전을 성공적으로 마쳤다.
아이마르 총장은 "오늘은 지식을 열망하는 CERN과 인류에게 역사적인 날"이라고 환영했다.
그는 또 "인간은 어디에서 와서 어디로 가는지, 우주의 종말은 있는지 미래에 우주는 어디로 가는지 등에 관해 알고자 하는 욕구를 지니고 있다"면서 "이번 실험은 우주에 대한 우리의 인식을 근본적으로 바꿀 만한 잠재력을 가지고 있다"고 말했다.
CERN은 이번 실험을 위해 LHC를 이루는 8개 구역을 영하 271℃(절대온도 1.9K)로 냉각시켜 우주 외곽의 환경을 만들고 1600개나 되는 초전도 자석들의 전기시험을 했으며 각 구역의 회로들과 각 구역 자체에 동력을 공급，LHC 전체가 하나의 통합된 기계로 작동할 수 있도록 했다.
과학자들은 앞으로 수주일에 걸쳐 양성자 빔 발사 실험을 통해 실험 장치의 이상 유무를 확인한 뒤 두 개의 양성자 빔을 동시에 다른 방향으로 발사하는 작업을 거쳐 이르면 10월, 늦어도 올 연말께 본격적인 충돌 실험에 돌입할 계획이다.
⊙ 호킹 박사 "힉스입자 발견에 회의적"
한편 세계적인 천체물리학자인 스티븐 호킹 박사는 지난 9일 영국 BBC와의 인터뷰에서 "힉스 입자가 발견되지 않는 데 100달러를 걸었다"며 이번 실험에 대해 회의적인 입장을 밝혔다.
호킹 박사는 "대형 강입자가속기의 에너지가 세계에서 가장 세고，힉스 입자를 발견하기에는 충분한 수준"이라고 평가했다.
그러나 그는 "이번 실험에서 힉스를 발견하지 못한다면 훨씬 신나는 일이 될 수도 있다"며 "그렇게 되면 뭔가 잘못됐다는 것을 보여줘 우리는 새로운 사고를 해야 한다"고 말했다.
호킹 박사는 힉스 발견에 회의적이었지만 대형 강입자 가속기에 대한 기대감을 나타냈다.
기본 입자들의 짝으로 추정되는 '초대칭 입자'가 발견될 가능성이 있다는 것이다.
물리학계는 지금까지 초대칭 입자가 존재할지도 모른다고 추정만 해왔다.
그는 또 "LHC가 무엇을 발견하든 발견하지 못하든 우주에 대해 많은 것을 알려줄 것"이라고 덧붙였다.
실제로 이번 실험이 힉스 입자를 찾지 못하면 현대물리학을 처음부터 새로 쓰는 일이 발생할 수 있다.
만일 힉스 입자가 없는 것으로 판명되면 지난 100년간 이룩한 현대물리학에 치명적 결함이 있다는 것을 증명하게 되는 것이기 때문이다.
전문가들은 LHC 가동 후 2~3년 정도 지나면 힉스 입자의 존재 여부가 판가름날 것으로 예측하고 있다.
![[Science] 우주 탄생의 비밀 밝힐 '힉스'입자 찾는다](https://img.hankyung.com/photo/200809/2008091174511_2008091299251.jpg)
