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유럽가속기硏, 거대강입자충돌기 6월 가동
원형 자석트랙 속 양성자를 빛의 속도로 가속 후 충돌
질량 원천 '힉스'·끈 이론 '초대칭 입자' 등 규명 실험
80개국 과학자 구슬땀… 한국도 13개大 연구팀 동참
부딪혀라, 새 우주가 열린다. 스위스 제네바 인근의 유럽가속기연구소(CERN) 거대강입자충돌기(LHC)가 논의 착수 24년, 건설 승인 14년 만에 드디어 올해 6월 가동된다.
지구상 최대 입자가속기를 손에 넣게 된 세계의 물리학자들은 우주와 자연의 본질을 한 꺼풀 더 벗겨낼 수 있으리라는 애간장 타는 기대로 들뜬 표정을 감추지 못하고 있다. LHC 프로젝트에 참여할 80개국 7,000여명의 과학자 가운데에는 물론 한국의 물리학자들도 포함돼 있다.
■ 드디어 밝혀지는 질량의 정체
LHC의 대표적 임무는 질량의 원천인 힉스 입자를 찾는 일이다. 중력을 발휘하는 특성인 질량은 일상생활에서 너무나 낯익지만 물리학적으로는 정체가 오리무중이다.
한 가지 가설이 힉스 입자라는 것이 있어 다른 입자들과 상호 작용해 질량을 부여한다는 것인데, 가설이 제시된 지 44년이 되도록 실험적으로 확인이 안 됐다. 힉스는 물리학 표준모형이 제시한 근본 입자 중 관측이 안 된 채 남은 마지막 입자다. 물리학자들은 “힉스 입자가 어떤 근본 입자보다 무겁기 때문”이라고 말한다.
그렇다면 LHC는 어떻게 힉스를 본다는 말일까? LHC는 원둘레 27㎞나 되는 최대 실험장비인 만큼 기존의 페르미연구소 가속기보다 빠르게 입자를 가속시켜 더 강력한(높은 에너지의) 충돌을 일으킬 수 있다. 고속 질주하는 열차일수록 충돌하면 크게 찌그러지는 것처럼 입자의 충돌에너지가 크면 보다 무거운 입자가 생겨난다(이것이 에너지 보존 법칙이다).
LHC는 원형 자석 트랙을 따라 양성자를 빛의 속도의 99.9999991%로 질주하게 한 뒤 정면 충돌시킨다. 이 때 충돌 에너지는 페르미의 가속기보다 14배나 높은 14테라전자볼트(TeV). 서울대 김수봉 교수는 “양성자 질량의 400배까지의 입자를 볼 수 있는 수준”이라며 “힉스의 질량을 양성자의 100~200배로 추정하므로 대체로 힉스의 발견이 얼마 남지 않았다고 기대한다”고 설명했다.
■ 새로운 세상을 찾아서
힉스의 발견이 표준 모형을 완성하는 것이라면 끈 이론이라는 차세대 이론을 열어 젖힐 관측도 수행된다. 바로 초대칭 입자의 발견이다. “관측된 모든 근본 입자는 진정한 최소 단위인 끈이 다르게 진동하는 것”이라고 여기는 끈 이론은 근본 입자들의 초대칭 짝을 가정하고 있다. 초대칭 입자가 발견된다면 이론적 주장에 그쳤던 끈 이론은 첫번째 실험적 증거를 확보하게 된다.
초대칭 입자는 우리 우주의 23%를 이해하는 열쇠이기도 하다. 우리 우주에서 눈에 보이는 물질은 전체 질량의 단 4%에 불과하다. 나머지는 암흑 물질(23%)과 암흑 에너지(73%)인데 뉴트랄리노와 같은 초대칭 입자가 바로 암흑 물질의 후보 중 하나로 꼽힌다. 현재 암흑 물질에 대해선 여러 후보와 다양한 가설이 병립하고 있어 암흑 물질의 정체를 밝히는 것이 이후 연구 향방을 가르는 중대한 분기점이 된다.
또한 LHC는 납 원자끼리 충돌시켜 빅뱅 직후를 재현하는 실험도 한다. 지금은 양성자나 중성자를 이루고 있는 쿼크를 독립적으로 떼어낼 수 없지만 초기 우주는 쿼크와 쿼크를 묶는 입자인 글루온이 죽처럼 뒤섞인 ‘쿼크-글루온 플라즈마’ 상태였을 것으로 여겨진다. 이밖에 끈 이론이 가정하는 4차원 이상의 여분의 차원, 원자 수준의 마이크로 블랙홀도 확인할 수 있을 것으로 기대된다.
■ 한국 물리학자들도 참여
국내에서는 성균관대 최영일 교수를 대표로 한 13개 대학의 공동연구팀이 LHC 실험에 참여한다. 고려대 박성근 교수팀, 경북대 손동철 교수팀, 서울시립대 박인규 교수팀 등이 있다.
입자를 검출하는 2개의 대표적 검출기가 ATLAS와 CMS인데 박성근 교수가 10여년 전부터 CMS 제작에 참여한 것을 비롯해 국내 연구자들은 CMS 실험에 몰려 있다. 다만 강릉대 김도원 교수팀은 쿼크-글루온 플라즈마를 관측하는 ALICE 실험의 일원이다.
LHC가 실험에 착수한 뒤 쏟아져 나올 어마어마한 데이터 분석은 또 다른 도전이다. 박인규 교수는 “양성자 빔이 부딪치면 초당 4,000만 번의 충돌이 일어난다. 각각의 충돌을 2.5메가바이트 파일로 저장한다면 초당 100테라바이트(테라=1조)의 데이터가 쏟아지는 것”이라고 설명한다.
이러한 데이터량은 저장, 검색, 분석이 모두 감당이 안 되기 때문에 CERN에 있는 슈퍼컴퓨터는 순식간에 의미 있는 정보만 골라낸다. 하지만 고르고 고른 초당 100개의 사건만 기록해도 1년간 산출되는 데이터량은 10페타바이트(페타=1,000조)로 CD롬으로 쌓으면 높이가 150㎞나 된다.
그래서 지금 물리학자들은 세계 곳곳의 컴퓨터를 연결하는 그리드 컴퓨터 구축에 여념이 없다. 스위스 제네바에 있는 최상위 그리드센터인 Tier0에서부터 미국 프랑스 영국 독일 대만 등이 구축한 Tier1, 지역·대학별 센터에 해당하는 Tier2, Tier3 등 ‘컴퓨터 피라미드’를 지어 데이터를 나눠 저장하고 분석한다.
손동철 교수팀과 박인규 교수팀이 CMS 실험 분석용 Tier2 센터 구축을 놓고 경쟁 중이며, ALICE 실험에 참여하는 김도원 교수팀은 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 슈퍼컴퓨터를 활용할 예정이다. 국내 Tier2 센터는 최신 PC 80대가 모인 규모다.
최영일 교수는 “LHC가 |
