콘텐츠바로가기

[블로그뉴스] 숫자로 풀어본 빅뱅실험

입력 2008-09-11 18:32:23 | 수정 2008-09-11 18:32:23
글자축소 글자확대
인간이 신의 영역에 도전장을 내밀었습니다. 우주 탄생순간의 비밀을 밝히기 위한 전대미문의 과학 실험에 나선 거지요.

유럽입자물리학연구소(CERN)는 2008년 9월 10일 오후 4시 36분 우주탄생과 함께 사라졌다고 해 '신의 입자'로 불리는 ‘힉스(Higgs Boson)’를 찾기 위해 프랑스와 스위스 제네바 접경 지역에 건설한 대형 강입자가속기(LHC·Large Hadron Collider)에서 양성자 빔을 발사했습니다.


LHC는 인류의 기술력 범위 안에서 우주 대폭발(빅뱅) 직후의 상황을 가장 잘 재현하는, 세계에서 가장 크고 강력한 장치로 불립니다. 이날 가속기에서 서로 다른 방향으로 발사된 양성자 빔은 앞으로 빛과 가까운 속도로 서로 충돌하게 됩니다. 가속기에서 빅뱅 당시 상황을 재현하는 거지요.

과학자들은 지구상에서 가장 세게 양성자를 충돌시킴으로써 빅뱅 당시 충돌 속도로 추론되는 1조분의 1초를 가속기 안에서 재현할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

이 실험은 우주 탄생의 순간을 밝히는 거대 실험인지라 보기 드문 숫자들이 대거 등장하고 있습니다. 언론 등에 보도된 숫자들을 통해 힉스를 탐험해 보았습니다.

▶1가지 못찾은 입자=이번 실험은 지구를 포함한 우주가 무엇으로 만들어졌는지 해답을 줄 것으로 기대됩니다. 우주는 산소나 수소·철 같은 금속이나 비금속으로 이뤄진 것이 아니라고 하지요. 지금까지 많은 물리학자가 모범 답안으로 꼽는 것은 17가지의 작은 입자(소립자)로 이뤄졌다는 겁니다. 이런 내용을 담은 ‘소립자 표준 모형’ 이론이 나온 이후 40년 동안 물리학자들은 16가지 입자를 모두 찾아냈습니다.

그러나 '힉스'라고 불리는 딱 1개의 입자를 찾아내지 못했습니다. 힉스는 입자의 질량을 결정하는 입자로써 빅뱅 직후 존재하다가 질량을 갖게 하는 특성을 다른 입자에 남기고 영원히 모습을 감췄다는 겁니다. 힉스를 ‘신이 숨겨 놓은 입자’라고 칭하는 이유라고 하네요.

과학자들은 이번 실험을 통해 빅뱅이 재현되는 순간 검출기에 나타나는 파편 등의 궤적을 통해 힉스입자가 생성됐는지 확인하게 된다는 겁니다. 힉스라는 이름이 붙은 건 1964년 영국 물리학자 피터 힉스가 “당밀(糖蜜)처럼 움직이는 물질이 배경에 존재할 것이 틀림없다”는 가설을 제기하면서 비롯됐다고 합니다.

▶2개의 양성자 빔=수소에서 전자를 떼어낸 양성자의 빔 2개는 LHC 원형터널에서 서로 반대 방향으로 돌면서 빛의 99.99991%의 속도(光速)로 가속된 뒤 강력한 초전도 자석들에 의해 4개의 대형 검출실로 유도돼 정면 충돌한다고 합니다.

▶4개의 검출실=광속에 가까운 두 양성자 빔이 충돌하게 되면 앨리스(ALICE)와 아틀라스(ATLAS), CMS, LHCb 등 4개의 검출실에 설치된 초정밀 검출기들을 통해 수 억개의 충돌 파편들을 모니터하고 추적하게 된다는 것입니다.

▶6명=지난 3월 미국의 전직 교사인 월터 와그너 등 6명은 "이번 양성자 충돌 실험으로 인해 블랙홀이 생겨날 우려가 있다"며 안전성이 확인될 때까지 LHC 가동을 막아줄 것을 요구하는 소송을 하와이 연방 지방법원에 제기했다지요. 또 독일 에버하르트 칼스대의 화학자 오토 로슬러 교수 등 일부 과학자들은 LHC 실험으로 미니블랙홀이 생성되고 이 블랙홀이 지구를 집어삼킬 수 있을 정도로 커질 수 있다며 유럽인권재판소에 가동 중지소송을 제기했다고 하지요. 특히 동영상 사이트 유튜브에는 지구가 LHC가 만든 블랙홀 속으로 사라져 버리는 내용의 컴퓨터 그래픽 동영상이 인기를 끌고 있다고 하고요.

블랙홀은 태양의 2배 이상 되는 천체가 점 하나로 쪼그라든 상태를 말합니다. 엄청난 질량이 한 점에 모여 있어 만유인력에 따라 주변의 물질을 모두 끌어당긴다는 거지요. 심지어 빛마저도 빨려든다고 하니까요.

LHC에선 실제로 블랙홀이 만들어질 수 있다는 겁니다. 블랙홀은 태양이 한 점으로 쪼그라들 듯 아주 좁은 곳에 에너지가 집중될 때 생성된다고 합니다. LHC가 가동하는 순간 에너지가 어떤 한 영역에 집중되면서 블랙홀이 생성될 수 있다는 거지요.

이에 대해 페테르 매티히 독일 소립자물리학위원회 위원장은 "LHC에서 일어나는 것과 같은 충돌은 자연 환경에서 매 초 셀 수 없을 만큼 많이 일어난다"며 "그런데도 우리가 사는 우주가 여전히 존재하고 있다는 것이야말로 위험할 게 없다는 충분한 증거"라고 말했습니다. 이 걱정은 하늘이 무너질까 우려한다는 기우에 불과한가 봅니다.

▶1京도C=블랙홀은 모든 물체를 빨아들이는 한편 엄청난 복사 에너지를 빛의 형태로 내뿜는다고 합니다. 이 때 블랙홀이 내뿜는 에너지가 높을수록 블랙홀의 수명은 그만큼 짧아지게 된다고 하고요. LHC에서 형성될 수 있는 블랙홀은 온도가 1억의 1억배인 섭씨 1京도(10,000,000,000,000,000)에 이른다고 합니다.정말 상상이 안가는 온도네요.

▶1027분의 1초의 찰라=서울대 물리천문학부의 박성찬(37) 박사는 언론과의 인터뷰에서 "LHC에서 블랙홀이 만들어져도 수명은 1027분의 1초의 찰나"라며 "LHC의 블랙홀이 주위 입자를 끌어 당길 정도가 되려면 수명이 109분의 1초는 되어야 하는 만큼 일각의 우려는 지나치게 과장된 것"이라고 말했습니다. 불교 용어로 아주 짧은 순간을 말하는 찰라라는 말을 실제 과학에서 접하게 되니 반갑습니다.

▶6~7년후=서울대 물리학과 김수봉 교수는 “LHC 실험이 예정대로 진행된다면 1년 정도의 검출기 시험을 거쳐 3~4년 안에 힉스입자가 발견될 것으로 예상된다”고 언론과의 인터뷰에서 밝혔습니다. 하지만 그는 “6~7년 후까지 힉스입자가 발견되지 않는다면 표준모델이 틀렸음을 의미하는 것으로 현대 물리학이 큰 혼란에 빠질 수 있다”고 지적했고요.

▶9시간=유럽입자물리학연구소(CERN)은 양성자 빔을 발사하는 장면을 9시간 동안 인터넷과 케이블TV를 생중계 했다고 하지요.

▶14년=LHC건설에 걸린 기간입니다.1994년 건설이 시작됐다고 하지요.

▶16가지 소립자=현대 물리학이 설명하는 우주 생성의 기본인 '소립자 표준 모형이론'에 따르면 물질은 6종류의 쿼크와 6종류의 경입자, 힘을 매개하는 4가지 입자, 그리고 힉스입자로 구성된 것으로 보고 있습니다. 힉스만 빼고 16개는 다 찾아냈다고 합니다.

▶27km=지하 100m에 건설된 LHC 원형 터널의 지름입니다. 자전거로 한바퀴 돌려면 상당한 시간이 걸리겠네요. 양성자 빔이 처음 발사된 후 이 터널을 한바퀴 도는데 걸린 시간은 52분이라고 합니다.

▶75%와 20%=LHC 실험의 첫째 목표는 힉스입자를 찾는 것이고 두 번째는 우주의 75%와 20% 정도를 차지하고 있지만 여전히 정체가 밝혀지지 않고 있는 ’암흑물질’과 ’암흑에너지’를 탐색하는 겁니다.

▶95억 달러=LHC 건설에 투입된 돈의 규모입니다.100억달러를 넘지는 않았네요.

▶100m=LHC는 지하 100m깊이에 건설됐다고 합니다. 깊은데서 팠네요.

▶100달러=저명한 우주물리학자 스티븐 호킹 박사는 LHC 가동을 하루 앞둔 지난 9월 9일 “힉스 입자가 발견되지 않는다는 데 100달러를 걸었다”고 말해 화제가 됐지요. 초를 친 건가요?

▶-271도=CERN은 이번 실험을 위해 LHC를 이루는 8개 구역을 섭씨 영하 271.1도(절대온도 1.9K)로 냉각시켜 우주 외곽의 환경을 만들었다고 하지요. 우주 공간의 온도는 이보다 높은 섭씨 영하 271도라고 합니다.

▶300메가바이트=LHC에서 양성자 빔이 발사되는 순간부터 생성되는 정보의 양은 1초당 300 메가바이트에 이른다고 합니다.

▶600㎞ 이상 CD를 쌓아야 할 정보량=CERN에서 7년째 연구를 하고 있는 한국인 과학자 노상률 박사는 "실험이 시작 된 후 1년 동안 수집되는 정보량은 CD에 담으면 지상에서 600㎞이상 CD (2천만장)를 쌓아야 할 정도"라고 말했습니다. 이 정보는 전 세계 140여 개 대학 및 실험실의 컴퓨터로 보내져 분석된 답니다.

▶1979년=LHC에서 힉스를 발견하면 표준모형이 실험으로 입증되면서 우주 탄생의 비밀이 한 꺼풀 벗겨지게 됩니다. 표준모형을 만드는 데 결정적 공헌을 한 와인버그 박사와 글래쇼 박사, 살람 박사는 1979년 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다.

▶2000배=CERN의 노상률 박사는 "27㎞에 이르는 LHC 터널은 1990년대에 전자와 양전자 충돌실험을 하기 위해 만든 것이다. 이 것을 양성자 충돌실험을 위해 전환하느라 모든 초전도 자석들을 바꾸었다. 양성자의 질량은 전자의 2000배에 이르고 있어, 양성자를 원형터널에서 돌리는 것은 전자를 돌리는 것과는 엄청난 차이가 있다. 이를 위해 초전도 자석들을 만드는 것만도 오랜 시간이 걸렸다"고 연합뉴스와의 인터뷰에서 밝혔습니다.

▶10,000명=빅뱅 재현의 실험에 참여한 전세계 과학자 수입니다.한국에서도 고려대 박성근 교수 등 57명이 참여하고 있다지요.

▶137억년=LHC는 137억년 전 우주를 탄생시킨 빅뱅 직후 1조분의 1초 상황이 재현된다고 합니다.

▶1조분의 1초=노상률 박사는 "두 양성자의 본격적인 충돌실험을 하려면 7테라 전자볼트(전자를 1조볼트로 가속시킬 때 전자가 갖는 에너지)가 필요하다. 첫날은 450기가(G) 전자볼트를 사용했다. 양성자가 7테라 전자볼트 정도의 엄청난 에너지를 가질 때 힉스입자와 같은 입자들이 나올 수 있다. 이번 실험은 빅뱅이 발생한 지 1조분의 1초 상태를 재현하고자 하는 것이다. 그 짧은 순간은 에너지가 아주 높은 상태로서 힉스 입자나 다른 물질들을 만들어 낼 수 있었을 것이다"고 설명했습니다.

< 한경닷컴 블로그 >

POLL

학생들의 대학 경영 간섭 어떻게 생각하십니까?

증권

코스피 2,165.04
종목 검색

인기검색 순위

코스피/코스닥 인기검색순위
코스피 코스닥
SK케미칼 0.00% 툴젠 +0.11%
SK디앤디 -0.35% 뷰웍스 +0.30%
두산엔진 +0.15% 에스엠 -1.72%
SK가스 -2.50% 크레아플래... -0.14%
삼성에스디... +1.74% EG +0.25%

20분 지연 시세

스타워즈 수익률 Top5

스타워즈 누적수익률 1~5순위 목록
수익률Top5 참가자 수익률
스타워즈 전문가 매매내역을 문자로 »

외국인 순매수

외국인 순매수 코스피
코스피
삼성전자 +1.19%
SK하이닉스 +1.17%
현대차 0.00%
LG화학 +0.36%
아모레퍼시... +3.59%
외국인 순매수 코스닥
코스닥
메디톡스 -0.02%
휴젤 +3.27%
APS홀딩스 -3.17%
서울반도체 0.00%
카카오 -0.88%

20분 지연 시세

기관 순매수

기관 순매수 코스피
코스피
KB손해보험 +0.15%
롯데쇼핑 +4.48%
POSCO +2.47%
롯데케미칼 +2.17%
삼성물산 +1.56%
기관 순매수 코스닥
코스닥
카카오 -0.88%
인바디 +2.92%
파라다이스 +2.41%
AP시스템 -2.86%
CJE&M 0.00%

20분 지연 시세

포토

HK여행작가 자세히보기 제6회 일본경제포럼 한경닷컴 로그인 이벤트