세계 과학사에 커다란 획을 긋는 순간이었다

제 목 출 처 보도일자 미국, CERN보다 더 강력한

가속기 만든다 사이언스타임즈 2014. 01. 10(금)

힉스 발견에서 자극, ‘초대형강입자가속기(VLHC)’ 구상 내놔

우주 탄생의 순간을 재현하려는 인류의 도전은 결코 멈추지 않는다. 세계 과학자와 엔지니어들의 지혜가 녹아 있는 유럽입자물리연구소(CERN)의 LHC는 지난해 물리학 자들이 오랜 세월 예상하고 꿈꿔온 대상을 눈앞에서 보여줬다.

기존의 우주이론을 다시 써야 될지도

초대형 실험장치인 강입자가속기(LHC)는 그 동안 미스터리로 남아 있던 힉스입자를

‘신의 입자’라는 것을 증명해 냈다. 세계 과학사에 커다란 획을 긋는 순간이었다. 그 결과, 대부분이 예상했던 것처럼 2013년 노벨 물리학상은 힉스입자를 예견한 과학 자들에게 돌아갔다.

▲ 미국 스탠포드 대학 선형가속기 연구센터의 휴잇 박사. 사진은 11월 고등과학원에서 노 벨 물리학상 해설 강의를 하고 있는 모습. ⓒScience Times

세계 과학사에 새로운 지평을 연 힉스의 발견은 입자물리학의 세계에 지대한 영향 을 끼칠 것이 분명하다. 스탠포드 대학 선형가속기센터(SLAC: Stanford Linear Accelerator Center)의 입자물리학자 조엔 휴잇 박사의 지적처럼 기존의 우주이론을 다시 써야 할지도 모를 새로운 이론의 출현 가능성도 배제할 수 없다.

그러나 힉스입자 발견, 그리고 노벨 물리학상 수상으로 이어지는 최근의 상황을 바 라보는 미국의 심기는 과히 좋은 것이 아니다. 세계 최고의 과학강국이라는 미국이 역사에 길이 남을 거대한 과학적 발견을 유럽에 빼앗겼기 때문이다.

이러한 자존심의 발로 때문인가? 최근 미국의 물리학자들이 우주의 더 깊은 비밀을 풀기 위해 차세대 초대형 가속기의 밑그림을 내놓아 주목된다.

힉스입자 발견에 고무된 물리학자들은 건설비용에 50억 달러가 투입된 LHC보다 훨 씬 강력한 ‘초거대강입자가속기(VLHC, Very Large Hadron Collider))’ 구상을 내놨다.

과학잡지 네이처에 따르면 수백 명의 입자물리학자들이 지난 여름 미국 학회에서 VLHC 구상을 구체화했다.

캘리포니아 멜로 파크(Melno Park)에 위치한 SLAC의 이론물리학자인 마이클 페스 킨 교수는 지난 11월 초 미 정부 자문그룹에 VLHC 건설구상을 제출했다. 그는

“CREN의 힉스입자 발견이 물리학의 끝이 아니다”라며 “이 발견을 미래에 투영하기 위해서는 보다 더 신중한 연구가 필요하다”고 강조했다.

기본형태는 LHC와 마찬가지로 지하에 원형으로 건설되는데 규모가 훨씬 크다.

LHC(27㎞)에 비해 둘레가 4배 가까운 100㎞에 이를 전망이다. 양성자 충돌 에너지 도 100테라전자볼트(TeV)로, LHC(14TeV)의 7배에 달한다.

기본형태는 LHC와 마찬가지로 지하에 원형으로 건설되는데 규모가 훨씬 크다.

LHC(27㎞)에 비해 둘레가 4배 가까운 100㎞에 이를 전망이다. 양성자 충돌 에너지 도 100테라전자볼트(TeV)로, LHC(14TeV)의 7배에 달한다.

한편 이에 질세라 LHC를 업그레이드 중인 CERN 역시 VLHC와 비슷한 차세대 가속 기 건설계획을 수립 중이다. 스위스 제네바호 아래 지하에 100TeV 에너지와 둘레 80∼100㎞의 ‘초고에너지 거대강입자가속기’를 세우는 그림이다.

이들 차세대 가속기(Next LHC)는 힉스입자가 열어준 입자물리의 더 깊은 영역을 탐 구하게 된다. 힉스입자 발견으로 과학자들은 많은 입자들이 광대하게 펼쳐진 힉스 장과 상호 작용해 질량을 갖게 된다는 사실을 알았다.

그러나 힉스입자 질량이 왜 그렇게 큰 지 모른다. 우주의 대부분을 채우고 있는 암 흑에너지와 암흑물질의 실체도 아직까지 풀리지 않은 미스터리다.

현실적으로는 천문학적 예산 확보가 걸림돌이 될 것으로 보인다. 많은 거대과학 프 로젝트가 예산문제 때문에 아예 시작하지 못하거나 진행 중에 중단된다. 특히 최근 세계 경기가 좋지 않은 상황에서 순수 과학적 목적으로 수십억∼수백억 달러를 투 자하기는 부담스러울 수밖에 없다.

실제로 미국은 예산 100억 달러, 둘레 87㎞로 현재 구상단계인 VLHC와 맞먹는 초 전도입자가속기(SSC)를 1988년부터 짓다가 1993년 재정난 때문에 중단한 바 있다.

이미 16억 달러를 투입한 후였다.

힉스의 공로, 미국에 돌아 올 수 있었다

미국 물리학자들이 아쉬워하고 불만을 터뜨리는 이유도 바로 여기에 있다. 만약 정 부가 지원을 중단하지 않고 힉스입자 연구가 계속 이루어졌다면 힉스입자의 발견 업적은 유럽의 CERN 이 아니라 미국에 돌아왔을 것이라는 생각에서다.

사실 지난 10년간 미국은 가속기를 통한 연구에 거의 투자하지 않았다. 그러다가 2013 3월 18일CERN이 50여 년 동안 찾아온 힉스입자를 마침내 발견했다고 공식적 으로 발표하자, 여기에 자극을 받은 입자물리학자들은 여름에 모임을 갖고 VLHC 건설구상을 정부에 제안하자는데 합의했다.

그러나 미국의 VLHC 구상이 세계에서 가장 큰 유일무이한 가속기가 될 것으로는 보이지 않는다. CERN이 현재의 LHC를 업그레이드 한다는 계획 외에도 일본에 국제 선형가속기(International Linear Collider)가 건설될 예정이다. 이 가속기는 힉스입자 를 백업하기 위해 전자와 양전자의 빔을 충돌시킨다.

또한 일리노이즈 바타비아에 있는 국립 페르미 가속기연구소도 미국 정부의 지원아 래 활발한 활동을 전개할 것으로 보인다. 이 연구소는 가속기가 만들어 낸 고강도

(고에너지)의 중성미자 빔을 이용하게 된다.

미국, 재정난으로 CERN에 힉스입자 증명 놓쳐

지난 11월 우리나라 기초과학의 산실인 고등과학원에서 ‘2013노벨 물리학상 해설 강연’을 진행한 SLAC의 휴잇 박사는 “재정난에 따른 정부의 가속기 지원 중단으로 인해 나타난 가장 큰 희생자가 바로 페르미 연구소의 세계 최대급의 고에너지 입자 가속기인 테바트론(Tevatron)”이라고 지적한 바가 있다.

▲ 힉스입자의 발견은 우주의 역사에 새로운 이정표를 만들었다. 또 과학 강대국들 간에 경 쟁도 치열할 것으로 보인다. 우주를 향한 과학 다툼이 점점 가속화 될 것으로 예상된다. ⓒ dnlzlvleldk

1983년 당시 1억 2천만 달러(현재 가치로 대략 2억 6천5백만 달러)를 들여 바타비 아에 건설된 테바트론은 2011년 9월 30일 그 임무를 중단하고 입자물리학의 역사 속으로 사라지고 말았다. 미국의 입자물리학이 퇴보하는 순간이기도 했다.

고에너지 물리학의 최전선에 늘 서있었던 테바트론은 그 자리를 LHC에 물려주었다.

자리만 물려준 것이 아니다. 전문가들은 이 자랑스런 후배에게 인류 인류문화사에 전환점이 될 힉스 발견의 영광까지도 넘겨주었다고 지적한다.

누군가 말했다. 9세기와 20세기가 산업혁명과 정보혁명의 시대였다면 21세기는 ‘입 자혁명(Particle Revolution)’의 시대가 될 것이라고. 평범한 우리는 전혀 눈치 못 채

고 모르고 살고 있지만 입자혁명의 시대는 우리가 상상하는 그 이상의 혁명을 예고 하며 거대한 파도처럼 밀려오기 시작했다.

입자혁명이 무르익어 우리의 삶에 엄청난 변화들이 몰려올 때 과학에 관심 있는 사 람이라면 ‘1964년’ 이라는 해를 기억할 것이다. 물리학자 피터 힉스가 우주문명연구 에 코페르니쿠스적 전환을 제기한 해이기 때문이다.

CERN과 페르미 연구소 간에 힉스입자를 찾기 위한 경쟁이 촉발되었다. 어떻게 결 말이 날지 세계 과학자들에게는 아주 흥미 있는 관전 포인트가 되었다. 많은 과학 자들은 세계 최대 과학강국이자 경제대국인 미국이 가능성이 있다고 예측했다.

사실 힉스 입자를 먼저 찾기 위한 노력에는 너무나 많은 비용이 들어갔다. CERN과 페르미의 두 거대 가속기는 재정압박으로 운영 계획을 변경하려고 했다. LHC는 2011년까지만 가동하고 1년 반을 쉰 후 재가동하려고 했다.

이에 테바트론은 2014년까지 실험기간을 3년 늘려서 계속 가동하려고 미국 에너지 부(DOE)에 요청했다. 그 때까지만 매달리면 승산이 나올 것이라고 기대했기 때문이 다. 그러나 결국 허사로 끝나고 말았다. 미국 정부는 1년에 3천500만 달러의 비용 을 감당할 수 없었다. 대신 LHC는 2012년까지 계속 가동하려고 계획을 수정하려 한다는 소문이 돌았다.

힉스 발견의 영예는 결국 CERN으로 돌아갔다. 물론 가정이다. 과학자들은 만약 오 바마 정부가 지원을 중단하지 않았다면 페르미 연구소가 힉스 입자를 먼저 발견했 을 가능성이 많았을 것이라며 아쉬워한다. 돈 때문에 졌다는 하소연도 없지 않다.

어쨌든 우주탄생의 비밀을 캐기 위한 유럽의 CERN과 미국 간의 경쟁은 2라운드로 접어든 듯하다. 힉스의 발견은 과학 역사상 커다란 이정표임에 틀림이 없다. 그러나 따지자면 우주의 비밀에 다다르는 첫 단계에 불과할 뿐이다. 힉스 발견에 못지 않 은 수 많은 발견들이 놓여 있다.

김형근 객원기자 | [email protected]