빛의 속도로 가속화한 양성자들 충돌

튕겨나온 소립자 신호 통해 우주 탐구

LHC란

10일 ‘우주 대폭발(빅뱅)의 수수께끼 풀기’에 나선 유럽입자물리연구소 거대강입자가속기(LHC)는 에너지와 물질이 분리되지 않았던 빅뱅 직후의 고에너지 상태를 재현할 정도의 성능을 갖춘 최대 규모의 가속기다. 이전까지 최고였던 미국 입자가속기 ‘테바트론’보다 7배나 높은 고에너지를 구현한다.

지하 100m 땅속에 건설된 이 가속기의 가속 터널 길이는 여의도 둘레의 네 배 가까운 27㎞에 달하며 각국 참여 연구자가 1만여명이나 돼, 단일 실험장치를 중심으로 한 사상 최대 연구 프로젝트로 기록될 전망이다. 1994년 설계안이 승인돼 스위스-프랑스 국경지대인 제네바 부근에 세워지기 시작한 지 14년 만에 완공됐다.

가속기에선 강입자인 양성자를 거의 빛 속도까지 가속해 충돌시키는 실험을 반복한다. 빛 속도에 가깝게 가속된 양성자 빔은 엄청난 고에너지를 얻는데, 이때 정면 충돌하면 양성자 핵을 구성하는 쿼크·글루온 등 소립자들이 충돌하고 튕겨 나오면서 갖가지 신호를 방출한다.

양성자 하나가 다른 양성자 하나와 정면충돌할 확률은 매우 낮기에, 실험물리학자들은 양성자 1000억개를 한 무더기로 뭉쳐 날리는데 이런 입자 뭉치 2835개가 길이 27㎞ 터널에서 7.5m 간격(25나노초)으로 줄지어 날아가며 가속된다. 빛 속도의 99.9999991%까지 도달할 때 정면 충돌한다. 충돌은 충돌지점의 지름 6㎝ 파이프 안에서 일어나지만 신호 검출은 파이프를 감싼 폭 십수m의 대형 검출기에서 이뤄진다.

이런 검출 신호 데이터를 분석해, 물리학자들은 △우주 태초에 만물 입자들에 질량을 부여해 ‘신의 입자’로 일컫는 힉스 입자△보통 입자들과 짝을 이루지만 보이지 않는 초대칭 입자 △우주의 73%를 차지하는 암흑물질의 후보 입자를 찾아내 물리학 표준이론을 검증할 계획이다. △원자 크기의 1억분의 1인 미니 블랙홀이 충돌 때 생성되는지 △3차원 공간 외에 또다른 여분 차원이 존재하는지도 검증해야 할 과제다.

오철우 기자