지금 스위스에선 약 1만명의 과학자들이 초유의 거대 실험을 하고 있습니다. 다름아닌 양성자 빔을 광속에 가까운 속도로 가속시킨 후 충돌시켜 우주 초기의 상황을 재현하고자 하는 목적으로 천문학적인 돈을 들여 가속기를 만들고 가동중에 있습니다. 가속기란 어떠한 첨단 현미경으로도 볼 수 없는 초 미시 소립자의 변화무쌍한 세계를 들여다볼 수 있는 또 하나의 현미경이라 할 수 있는데, 이 실험을 통해 지금까지 물리학이 예측하고 있지만 검증을 기다리는 많은 물음들에 대한 답을 찾게 될 것으로 생각됩니다.

아래 글에도 제시된 기대효과들 하나하나는 우주의 생성과 진화, 그리고 현재 우리의 세계를 보다 확실하게 이해할 수 있게 하는 문제들로서 이 실험에서 어떤 답을 얻게 될 경우 우리 세계에 대한 과학적 이해가 놀라운 진보를 하게 될 것입니다. 또한 그중 어느 것이라도 사실이 아니라 판명될 경우 지금까지 쌓아왔던 중대한 물리적 체계가 흔들리게 될 것이기에 과학자뿐 아니라 많은 사람들의 촉각이 모여지고 있습니다.

과학적 연구를 위해 천문학적 액수의 돈을 퍼붓고 가속장치 건설로 야기되는 환경파괴나 전력 사용등의 문제가 제기되기도 했습니다. 그러한 면에서 바람직한 방향을 모색해야겠지만 실험을 통해 얻게될 것들은 너무도 중요한 내용이라 인간이 시도하지 않기란 어려운 부분도 있습니다.

저는 이 방을 통해 아래 제시된 여러 문제들이 어떤 것이고, 우리 우주와 물질 세계를 이해하는데 어떤 역할을 하는지 저도 공부도 할 겸 정리해 보고자 합니다. 대진리 앞에 매우 초라한 모습의 현대과학이지만 한걸음 한걸음 진리를 향해 발걸음을 옮기는 과정에서 현재 우리 자신과 미래를 향한 방향성을 생각해볼 수 있을 것입니다.

다음 글에선 첫번째 문제인 힉스 입자에 대한 이야기를 적어보겠습니다.

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거대 하드론 충돌기(Large Hadron Collider:LHC)는 스위스 제네바 근방의 유럽입자물리학연구소(CERN)에서 만든 입자 가속 및 충돌기이다. 1994년에 시작돼 13억 유로가 투입된 가운데 유럽연합 20개국의 6,000여명을 비롯하여 전 세계에서 약 1만 명의 과학자들이 참여해 만들어진 LHC는 두 개의 입자 빔을 광속에 가까운 속도로 충돌시킴으로써 빅뱅 직후의 상황을 재현할 계획으로 만들었다. 스위스와 프랑스 국경 지대 지하 100m에 설치되는 길이 27㎞의 LHC는 2008년 9월부터 가동되었으나 중단되어 2009년 2월에 다시 가동되었다.

LHC의 구조

LHC는 50~150m 정도의 깊이에 있는 27km의 원형 터널로 이루어져 있다. 이 터널은 예전에는 거대 전자-양전자 충돌기(Large Electron-positron Collider:LEP)가 쓰던 공간이었다. 이 터널은 지름 3m로 스위스와 프랑스 국경을 통과하고, 대부분 프랑스에 속한다. 충돌기는 지하에 있고, 충돌기 위 지상에 있는 많은 건물들은 압축기·통풍시설·전자제어·플랜트 냉각 등 보조적인 역할을 수행한다.

LHC를 통해 얻고자 하는 것

LHC가 가동되면 대한민국을 포함해 80개 국가의 7,000여 명의 과학자들이 LHC에 접근하게 된다. 여기에서 가장 많은 수인 700여 명이 미국 소속이다. 물리학자들은 LHC를 통해 다음 문제들에 대한 해답을 얻기를 기대한다.

1. 표준 모형에서 기본입자에 질량을 부여하는 힉스 메커니즘이 실제로 일어날까? 만약 그렇다면, 힉스 보존의 질량과 수량은 어느 정도인가?

2. 바리온들의 질량들 사이의 비율을 보다 정밀히 측정한 결과가 여전히 표준 모형과 맞아떨어질까?

3. 알려진 입자들에 대한 초대칭 짝입자(supersymmetric partner)가 존재할까?

4. 왜 물질과 반물질 사이에 명백한 비대칭이 있는 것인가?

5. 끈 이론 등에 의해 예측된 추가 차원이 실재하는가?

6. 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체는 무엇인가?

7. 중력이 다른 기본 상호작용들에 비해 터무니없이 약한 이유는 무엇일까?

LHC 가동 시 안전문제

물리학계 내외의 몇몇 사람들은 LHC에서 진행되는 실험들로 인해 지구 전체, 심지어는 우주 전체에 거대한 재앙이 일어날 가능성을 제기했다. 다음은 그 가능성들 중 일부이다.

1. 안정된 블랙홀의 생성
2. 보통 물질보다 안정적인 야릇한 물질(Strange matter)의 생성
3. 양성자 붕괴를 유발할 수 있는 자기홀극(magnetic monopoles)의 생성
4. 다른 양자역학적 진공으로의 전이