세계 최초 빅뱅실험, 양성자빔 발사 성공…우주탄생의 비밀풀기

 

세계 최초 빅뱅실험, 양성자빔 발사 성공… 우주탄생의 비밀 풀기 시작됐다

[세계일보] 2008년 09월 10일(수) 오후 08:54

우주 탄생의 비밀을 풀기 위한 빅뱅(대폭발) 실험이 사상 처음으로 시작됐다.

로이터통신 등 외신에 따르면 유럽입자물리학연구소(CERN)는 10일 세계 최대 입자가속기인 강입자충돌기(LHC)를 가동해 빅뱅 재현 실험에 돌입했다. LHC는 제네바와 프랑스 국경지대 지하 100m 지점에 있는 길이 27㎞의 원형 터널에 설치돼 있다.

이번 실험은 거의 광속으로 발사된 두 개의 수소 양성자 빔을 LHC 터널 내 서로 반대 방향으로 진행시키다가 초전도 자석으로 이를 구부려 충돌시키는 것이다. 양성자 빔들이 알리스(ALICE)와 아틀라스(ATLAS), CMS, LHCb 등 4개의 대형 검출실에서 충돌하는 순간 우주 대폭발 1000만분의 1초 상태를 재현해 낼 것으로 과학자들은 기대하고 있다.

 

 

이날 오전 9시36분(현지시각) LHC에서 첫 수소 양성자 빔이 발사돼 시계 방향으로 원형터널 한 바퀴를 돌았다. 원형터널을 1회전하는 데 걸린 시간은 52분 정도였다. CERN은 이어 두 번째 양성자 빔을 시계 반대 방향으로 발사했으며, 이 역시 정상적인 진행을 거쳐 낮 12시1분쯤 1회전을 성공적으로 마쳤다. 두 개의 양성자 빔을 상호 반대 방향으로 동시에 발사하는 작업은 몇 주가 걸리며, 두 빔을 충돌시키는 실험은 연말쯤 이뤄질 전망이다.

이번 실험 목표는 모든 우주 입자의 질량을 결정하는 힉스입자(반물질)와 우주 공간 대부분을 차지하는 ‘암흑물질’, ‘암흑에너지’의 실체를 규명하는 것이다. 과학계는 특히 ‘신(神)의 입자’로 불리는 힉스입자가 발견되면 물리학에 일대 변혁이 올 것으로 보고 있다. 지금까지 진공상태의 작은 점이었던 우주가 대폭발해 급팽창했다는 ‘빅뱅’ 이론이 설득력을 얻어 왔지만 힉스입자와 암흑물질 등의 실체를 규명하지 못한 것이 한계로 지적돼 왔다.

로베르 아이마르 CERN 사무총장은 “오늘은 지식을 열망하는 CERN과 인류에게 역사적인 날”이라고 환영했다. 린 에번스 LHC 프로젝트 책임자는 “우리는 이제 우주의 기원과 진화에 관한 새로운 이해의 시대를 기대할 수 있게 됐다”며 흥분을 감추지 못했다.

1994년 시작돼 14년 동안 95억달러가 투입된 세계 최대 규모의 LHC 건설에는 80여개국 과학자 1만여명이 참여했다. 일부 과학자들은 빅뱅 재현 실험 과정에서 인공 블랙홀이 생겨 지구를 집어삼키거나 변화시킬 수 있다며 실험 중단을 촉구했다.

안석호 기자 세계일보＆세계닷컴

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세계 인류 최대 빅뱅실험 개시 … 충돌실험은 10월에

[한국경제신문] 2008년 09월 11일(목) 오전 00:08

 

 

10일 오후 4시39분(한국시간) 세계 인류 최대의 '빅뱅실험'이 개시됐다.

스위스 제네바에 있는 유럽물리연구소(CERN)는 제네바와 프랑스 국경지대 지하 100ｍ에 건설된 둘레 27㎞,지름 8㎞에 세계 최대 실험장비 LHC에 첫 수소 양성자 빔을 발사했다.

1994년부터 14년 동안 무려 95억달러(약 10조원)가 투입된 세계 최대 우주 실험 장비 LHC 건설에는 유럽 아시아 미국 러시아 등 전 세계 과학자 약 1만명이 참여했다.

발사된 첫 수소 양성자 빔은 원형터널을 시계 방향으로 돌게 되며, 원형터널의 4곳에 설치된 검출실에서 확인 결과 이 빔이 정상적임이 확인되면 두 번째 수소 양성자 빔을 발사해 시계 반대 방향으로 진행하게 한다.

이번 실험의 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.

본격적인 충돌 실험이 시작되면, 광속에 가까운 속도로 발사된 두 개의 수소 양성자 빔은 원형터널의 LHC 내에 만들어진 두 가닥의 궤도를 서로 반대 방향으로 진행하다, 강력한 초전도 자석들에 의해 구부러져 두 궤도의 교차 지점에 마련된 알리스(ALICE)와 아틀라스(ATLAS), CMS, LHCb 등 4개의 대형 검출실에서 충돌하게 된다.

충돌실험은 10월21일께로 예정돼 있으며, 최종 실험 결과가 나오기까지는 3년 정도가 걸릴 것으로 예상된다. 한편, 실험을 앞두고 일각에서는 인공 블랙홀의 생성으로 지구멸망을 가져올지 모른다는 우려의 목소리를 높이기도 했다.

디지털뉴스팀 한경닷컴

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힉스 보존(Higgs boson)

힉스 보존(Higgs boson)은 표준모형의 페르미온들에 질량을 주는 기본입자이다. 영국의 물리학자 피터 힉스의 이름을 땄다.

이론 힉스 입자는 표준 모형의 유일한 스칼라 입자이다. 자발적 대칭 깨짐을 통해 진공 기대값을 갖게 되면 유카와 상호작용에 의해 페르미온에 질량을 줄 수 있다. 자발적 대칭 깨짐은 힉스-앤더슨 메카니즘이라고도 한다. 힉스 이외에 컴포지트 힉스나 테크니칼라이론 등의 대안이 있다.

자발적 대칭 깨짐(spontaneous symmetry breaking)

물리학에서, 자발적 대칭 깨짐(영어: spontaneous symmetry breaking)은 어떤 이론에 대칭이 있으나 바닥상태는 대칭을 따르지 않는 것을 이야기한다. 예를 들면, 원자 이론은 구형 대칭을 가지고 있지만 원자 이론으로 기술되는 의자나 책상은 구형 대칭성이 없다는 것을 일컬어, 이들 상태가 자발적 대칭 깨짐의 상태에 있다고 한다.

자발적 대칭 깨짐이 일어났을 때 바닥상태 근처에서 보면 대칭이 깨져 보이지만, 이론 전체를 놓고 보면 여전히 이론은 대칭을 가지고 있다. 따라서 어떤 이들은 대칭 깨짐이라는 말을 쓰기 보다는 "대칭 숨겨짐"(영어: hidden symmetry)이라는 용어를 쓰기도 한다.

힉스 메커니즘은 자발적 대칭 깨짐의 대표적인 예이다.

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거대 하드론 충돌기(Large Hadron Collider) : LHC

                      거대 하드론 충돌기(Large Hadron Collider)의 가속&충돌 체인.

 

                    The Large Hadron Collider's (LHC) CMS detectors being installed

 

 

거대 하드론 충돌기(Large Hadron Collider)의 가속&충돌 체인. 거대 하드론 충돌기(Large Hadron Collider, 줄여서 LHC)는 CERN에서 추진하고 있는 입자 가속 및 충돌기로, 스위스 제네바 근방에서 건설 공사가 진행 중이다. LHC는 2008년 9월 10일에 목표치보다 낮은 에너지에서 가동을 시작할 예정이다. 그로부터 몇 개월 뒤 목표치인 7 TeV에 도달한 이후, LHC는 세계 최대, 최고 에너지의 입자 가속기가 된다. LHC의 자금 모집 및 건설은 34개 국가의 대학과 연구소 및 2000여 명의 과학자들이 힘을 합쳐 이루어졌다.

LHC는 50에서 150미터 정도의 깊이에 위치한 27킬로미터의 원형 터널로 이루어져 있다. 이 터널은 예전에는 거대 전자-양전자 충돌기(Large Electron-positron Collider, LEP)가 쓰던 공간이었다. 이 터널은 3미터 직경으로 스위스와 프랑스국경을 통과하고 있고, 대부분 프랑스 안에 포함되어 있다. 충돌기는 지하에 위치하고 있고, 충돌기 위 지상에 있는 많은 건물들은 압축기, 통풍시설, 전자제어, 플랜트 냉각 등 보조적인 역할을 수행하고 있다.

충돌기 터널에는 양성자 빔을 운반하는 2개의 파이프가 들어있으며, 각 파이프는 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석으로 둘러싸여있다. 2개의 파이프에서 나온 양성자 빔은 서로 터널의 정반대 방향으로 향하게 된다. 여러 개의 추가 자석들은 빔이 4개의 교차점으로 가도록 빔을 조정하는 역할을 하며, 이 교차점에서 입자들 사이의 상호작용이 일어나게 된다.

충돌기 내의 각 양성자는 7 TeV의 에너지까지 가속되며, 따라서 두 개의 양성자가 부딪힐 때의 충돌 에너지는 14 TeV가 된다. 각 양성자가 충돌기 내부를 1회전하는 데는 약 90 마이크로초가 걸리며, 한 번에 대략 2,800 개 가량의 양성자를 발사하므로, 입자들 사이의 상호작용은 사이에 최소한 25 나노초의 간격을 두고 일어나게 된다. 초기 가동시에는 한 번에 보다 적은 수의 입자를 발사하여, 충돌 사이의 간격이 최소한 75 나노초가 되도록 한다.

주 가속기로 들어가기 전에 입자들은 여러 단계에 걸쳐 에너지가 올라가게 된다. 첫 번째로, 선형 가속기인 Linac2가 양성자의 에너지를 50 MeV까지 올려서 양성자 싱크로트론 증폭기(Proton Synchrotron Booster, PSB)로 보낸다. 여기에서 1.4 GeV에 도달한 양성자들은 양성자 싱크로트론(Proton Synchrotron, PS)에서 26 GeV로 가속된다. 저에너지 주입 링(Low-Energy Injector Ring, LEIR)은 이온의 저장 및 감속 장소로 사용된다. 반양성자 감속기(Antiproton Decelerator, AD)는 3.57 GeV에서 2 GeV로 감속된 반양성자 빔을 생성하며, 마지막으로 슈퍼 양성자 싱크로트론(Super Proton Synchrotron, SPS)는 양성자의 에너지를 450 GeV까지 올린다.

총 6개의 관측기가 지하에 있는 LHC의 교차점에 설치되어있다. 그 중 ATLAS와 CMS는 일반적인 용도의 대형 관측기이며, 나머지 LHCb, ALICE, TOTEM, 및 LHCf는 그보다 크기가 작으며 특수한 목적을 위해 쓰인다. LHC는 또한 납을 비롯한 중이온을 충돌시킬 수 있는데, 이때의 충돌에너지로 1,150 TeV가 나오게 된다.

LHC의 거대한 크기로 인해, 건설자들은 그동안 마주친 적이 없는 여러 공학적인 문제를 해결해야 했다. LHC가 가동하게 되면, 자석에는 10 GJ의 에너지가 저장이 되고, 빔에는 725 MJ의 에너지가 실리게 된다. 만약 10−7만큼의 빔이 링안의 초전도 자석에 흡수되면, 빔은 과충전 된 에너지를 내놓게 되고, 다량의 폭발이 발생하게 될 것이다. 참고로 725 MJ은 TNT 157 kg을 한꺼번에 터트린 에너지와 같다.

연구

LHC가 가동되면, 대한민국을 포함해 80개 국가의 7000여명의 과학자들이 LHC에 접근하게 되며, 여기에서 각 국가들 중 가장 많은 수인 700여 명이 미국 소속이다. 물리학자들은 LHC를 통해 다음 문제들에 대한 해답을 얻기를 기대하고 있다:

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?

이온 충돌기로서의 LHC

LHC에서 이루어지는 주 실험은 양성자-양성자의 충돌이나, 대략 1년에 1개월 가량은 중이온 충돌 실험도 실시된다. 보다 가벼운 이온도 고려중이나, 기본적으로는 납 이온을 돌리는 것이 계획이다. 이는 상대론적 중이온 충돌기(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC)에서 진행 중인 실험에 도움을 줄 것이다.

건설&실험 비용

예상되는 LHC 프로젝트의 총 비용은 32억~64억 유로이다(건설비, 유지보수비, 실험예산 포함). 95년 LHC 건설이 승인될 때, 건설비용은 26억 스위스 프랑, 따로 실험에 필요한 돈은 2억 1천만 스위스 프랑이 들것으로 예상하였다. 그러나 비용이 계속해서 증가해서, 2001년에는 4억 8천만 스위스 프랑이 더 들어갔고, 5천만 스위스 프랑이 실험에 더들어가게 되었다. 또한 CERN의 재정이 줄어 듬에 따라서 LHC 공사는 2005년의 끝에서 2007년 4월로 미뤄지게 되었다. (후에 사고로 인해 2008년으로 연기됨.) 여기서 증가된 돈 중, 1억 8천만 스위스 프랑은 초전도 자석에 든 돈이다. 여기에는 엔지니어링 기술이 힘든 지하 동굴에 건설한 집적 뮤온 솔레노이드에 대한 비용도 포함되어 있다.

LHC@Home

LHC@Home은, 분산 컴퓨팅 프로젝트로써, LHC가 건설&조정 된 다음에 이 프로젝트가 실행될 것이다. 이 프로젝트는 BOINC 플랫폼을 이용하여, 터널에서의 여정에 대한 시뮬레이션을 실행하게 된다. 이 정보로, 과학자들은 자석을 조절해서, 링안에 흐르는 빔이 안정될수  있도록 할 수 있을 것이다.

안전 문제

RHIC의 경우와 마찬가지로, 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

CERN은 소형 블랙홀이나 야릇한 입자, 자기홀극 등이 생성될 수 있는지에 대해 조사[4]한 결과, 보고서에서 "제기할 수 있는 어떤 문제에 대해서도 근거를 찾을 수 없다"고 결론내렸다. 예를 들어, 소형 블랙홀은 몇몇 미 검증된 이론이 사실이 아닌 한 생성될 수 없으며, 설령 생성된다 하더라도 호킹 복사에 의해 거의 즉시 소멸되므로 무해할 것으로 추정된다. 또한, 우주로부터 지난 수십억년에 걸쳐 LHC에서 생성될 수 있는 것보다 훨씬 강한 에너지를 가진 우주선(cosmic ray)이 지구로 떨어졌음에도 불구하고 제기된 문제들은 일어나지 않았다.

RHIC는 2000년부터 가동되었으며, 그동안 지구를 멸망시킬 가능성에 대한 증거가 나타난 바는 없다.

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                             Large Hadron Collider - The Search For The Higgs1

                             Large Hadron Collider - The Search For The Higgs2

                           Large Hadron Collider - The Search For The Higgs3

 

 An engineer leans on a magnet in the 27km-long tunnel that will house the Large Hadron Collider (Image: Cern/Maximilien Brice).
 

 The Compact Muon Solenoid (CMS) experiment will search for the "God particle", or Higgs boson. This image was taken during assembly work in November (Image: Cern/Maximilien Brice)

 

The enormous Atlas experiment is about the size of a five-storey building. Like CMS, Atlas will record the head-on collisions between particle beams (Image: BBC/P. Rincon).

 

This statue of the Hindu deity Shiva was a gift from India. As the only obvious religious symbol at a facility built for science, it has proven controversial (Image: Cern/Maximilien Brice).

  

A scientist carries out work on the inner detector of the Atlas experiment in a clean room at Cern (Image: Cern/Maximilien Brice).

 

 

                                         Map of the Large Hadron Collider at CERN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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