우주기원 탐구 지상최대의 기계
첨단기술 집적·창조의 산실역할

미국 일리노이주에 위치한 페르미 국립가속기연구소의 상징인 테바트론(Tevatron) 가속기가 26년의 역사를 마치고 드디어 해체되고 있다 한다. 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자충돌기(LHC)가 탄생하기 전까지 세계 최대 가속기라는 지위를 가지고 있던 테바트론은 1995년에 물질 구성 블록의 하나인 ‘톱 쿼크(top quark)’를 발견하는 등 눈부신 과학적 성과를 내고 역사의 뒤안길로 사라지게 됐다. 이제는 테바트론의 바통을 이어받은 LHC가 세계 최대 가속기로서 인류가 이전에 탐험해 보지 못한 새로운 영역을 개척하고 있다.

고재현 한림대 교수·물리학

가속기는 말 그대로 입자의 속도를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 에너지를 증가시키는 장치이다. 이때 가속되는 입자는 양(+)이나 음(-)의 전기적 속성을 띤 대전(帶電)입자다. 주기율표의 1번 자리를 꿰차고 있는 수소 원자의 구조를 보면, 가운데에 양의 전하를 띤 수소 원자핵(양성자)이 자리 잡고 그 주위를 음전하를 띤 전자가 돌고 있다.

따라서 이 둘을 분리하면 대전입자를 얻게 된다. 사실 건조한 겨울철 일상적으로 경험하는 정전기 현상도 마찰 등에 의해 생긴 대전입자가 주원인이다. 이 입자들에 반대의 극성을 띠는 전압을 가하면 자석의 N극과 S극이 서로 끌어당기는 것과 비슷하게 힘을 받아 속도가 증가한다. 거대 가속기 내에서 가속되는 대전입자의 빠르기는 보통 빛 속도의 99.999999% 정도 혹은 그 이상에 달한다.

빛의 속도에 가깝게 달리는 가벼운 대전입자를 충돌시키면 이들은 복잡한 상호작용을 거치면서 엄청난 숫자의 부산물 입자를 생성한다. 이를 빌딩만 한 검출기로 분석함으로써 물질을 구성하는 기본 입자와 이들의 상호작용을 연구하게 된다. 이를 통해 우주를 포함한 ‘모든 것에 대한 이론’을 세우는 것이 물리학자의 최종 목표이다. CERN이 운영하는 ‘지상 최대의 기계’ LHC는 인류가 지금까지 구현하지 못했던 엄청난 에너지로 가속된 입자 사이의 충돌을 통해 이러한 목표에 한 발 더 다가가게 될 것이다.

입자물리학을 위한 가속기 이외에도 오늘날에는 다양한 형태의 가속기가 전 세계적으로 운영되고 있다. 전기적 성질을 지닌 입자를 가속시킬 때는 에너지의 일부가 빛의 형태로 방출된다. 이렇게 손실되는 방사광은 가속기 역사 초기에는 과학자들에게 골칫거리였으나 오늘날에는 이 방사광만을 전문적으로 발생시켜 다양한 분야에 활용하는 가속기가 많이 운영된다. 1994년에 완공된 포항방사광가속기가 대표적이다. 양성자나 전자와 같이 가벼운 대전입자 대신에 납이나 금과 같이 무거운 원소의 이온을 다루는 가속기가 바로 과학비즈니스벨트에 들어서게 될 중이온 가속기이다. 이 가속기는 새로운 동위원소나 주기율표에 존재하지 않는 인공원소의 연구 등에 활용될 예정이다.

입자물리학자들의 학문적 호기심을 위해 수조원이나 되는 천문학적인 돈을 투입해 거대가속기를 건설하고 운영하는 것에 회의적인 시각을 가진 사람도 있을 것이다. 그렇지만 가속기와 같은 거대과학시설은 그 자체로 진공기술, 초전도 기술, 데이터처리 기술 등 온갖 첨단 기술이 집적되거나 새로이 만들어지는 곳이다. 인터넷의 기반이 된 월드와이드웹 WWW가 탄생한 곳도 바로 CERN이었다. 그렇지만 이보다 훨씬 중요한 것은 이러한 과학을 통해 ‘우리는 어디에서 와서 어디로 가는가’라는 우리 자신과 우주의 근원에 대한 원초적인 호기심에 대한 대답에 한 발 더 다가갈 수 있다는 점일 것이다. 수십년 후 LHC가 가동을 멈추는 날 우리는 이 우주와 물질, 그리고 우리 자신에 대해 얼마나 더 이해하게 될까 사뭇 기대된다.

고재현 한림대 교수·물리학