LHC, 현대 물리학의 최전선

여기가 바로 21세기 물리학 혁명의 출발점 -스티븐 와인버그(노벨 물리학상 수상자) 물리학과 과학의 미래가 LHC에 달려 있다! 지상 최대의 실험 LHC의 전모를 밝힌다 2008년 9월 10일 인터넷과 세계 각국의 언론은 갑작스러운 ‘블랙홀 신드롬’에 휩싸였다. 스위스 제네바 근교에 있는 CERN(유럽 입자 물리학 연구소, 프랑스 어 식으로는 [세른], 영어 식으로는 [선]이라고 읽는다.)에서 만들어진 소형 블랙홀이 연구소를 삼키고, 제네바를 삼키고, 유럽을 삼키고, 결국 지구 전체를 삼켜 지구가 멸망할지도 모른다는 소문이 네트워크를 타고 전 세계로 확산되면서 벌어진 일이다. 가속기 실험에서 만들어진 블랙홀이 지구를 삼키는 모습을 담은 동영상과 글 들이 수많은 인터넷 게시판과 블로그, 그리고 미디어 등을 달궜다. 심지어 인도의 어떤 소녀는 지구가 멸망한다는 공포에 사로잡혀 자살했고, 종교 사원에 사람들이 몰려들어 기도를 올리기도 했다. 또 독일 튀빙겐 대학교의 화학 교수를 비롯해 여러 사람들이 CERN의 가속기 실험을 막아 달라며 유럽 인권 재판소 등에 소송을 제기하기도 했다. 이 모든 소동의 출발점에 바로 CERN에서 운용하는 초대형 입자 가속기 및 충돌기인? LHC(Large Hadron Collider, 대형 하드론 충돌기)가 있다. LHC는 인류가 만든 가장 큰 과학 실험 장치이자, 가장 높은 에너지를 만들어 내 우주가 탄생한 대폭발(Big Bang) 직후 1조분의 1초에 일어난 일까지 재현할 수 있는 현대 물리학과 과학의 정점에 있는 장치이다. 아인슈타인의 상대성 이론과 양자 역학의 발견으로 시작된 20세기 초반의 과학 혁명에 맞먹는 새로운 과학 혁명을 일으킬 발견이 LHC에서 수년 내에 이루어질 것으로 기대되고 있다. 상대성 이론과 양자 역학이 인류가 세계를 보는 방식을 완전히 바꿨듯이 LHC 역시 인류의 세계관과 자연관을 완전히 바꿔 줄 것이다. 이번에 (주)사이언스북스에서 출간된 이강영의 『LHC, 현대 물리학의 최전선』은 국내에서 전공자 이외에는 제대로 알려지지 않은 LHC와, LHC의 가동으로 세계 과학계의 중심축으로 우뚝 선 연구소인 CERN의 전모를 소개하는 책이다. 원자의 발견에서 현대 물리학이 도달한 ‘거의 모든 것의 이론’인 입자 물리학의 표준 모형(Standard Model)에 이르기까지 입자 물리학의 역사와, 입자 물리학의 발전에서 결정적인 역할을 해 온 유럽 최대의 과학 연구 기관이 CERN의 창설에서 LHC까지의 역사, 그리고 물리학자들과 과학자들의 관심을 한몸에 받고 있는 LHC의 역사와 구조와 작동 원리, 그리고 과제들을 전면적으로 소개하고 있다. 건국 대학교 물리학과 연구 교수로 재직 중인 저자는 박사 과정인 1990년대 중반부터 CERN과 인연을 맺어 왔다. LHC 실험과 현대 이론 물리학계의 최대 관심 주제인 힉스 입자(Higgs boson, 페르미온이나 게이지 보손에 기본 입장에 질량을 부여하는 입자)를 비롯, 여분 차원, 게이지 대칭성, 암흑 물질 등 현대 이론 물리학의 최첨단 분야에 대한 50여 편의 논문을 발표해 온 현장 연구자로서, 현재 LHC가 내놓을 성과에 주목하고 있다. LHC가 현대 물리학과 과학의 하나의 도달점이자 출발점인 것처럼 이 책 역시 LHC와 밀접하게 관련된 주제들에 대해 치밀하게 연구해 온 한 물리학자의 도달점과 출발점이다. 인류 지적 탐험의 도달점이자 새로운 출발점이 될 LHC의 과거, 현재, 미래 인류의 진보의 수준을 이야기하는 방법은 여러 가지가 있겠지만, 지적인 면에서, 인류가 자신이 살고 있는 우주 자체에 대하여 얼마나 이해했는가 하는 것은 분명히 인류의 진보를 측정하는 중요한 척도라고 할 수 있을 것이다. 마치 콜로세움이 로마에 대해 그랬듯이, 그리고 원자 폭탄이 20세기에 대해 그랬듯이 적어도 이 순간에 있어서 LHC는 인류 문명의 가장 최전선에 위치하는, 21세기를 막 맞이한 인류 문명의 상징물이 될 수 있는 존재다. -본문에서 대형 하드론 충돌기(Large Hadron Collider, LHC)는 테라전자볼트(1조 전자볼트)의 세계, 대폭발 이후 1조분의 1초가 지났을 때의 상태를 연구할 수 있는 입자 가속 충돌기이자 인류가 만든 역사상 가장 거대한 실험 장치다. 유럽 입자 물리학 연구소 CERN이 운영하는 LHC는 제네바 근교 100미터 지하, 둘레 27킬로미터의 터널에 설치되어 있다. LHC는 2개의 양성자 빔을 초고속으로 가속해 충돌시키는 장치다. 이때 LHC가 사용하는 에너지는 인구 40만에 달하는 제네바 주 전체가 사용하는 전력에 맞먹는다. 이 고에너지 충돌에서 생성되는 수많은 입자들의 궤적 속에는 전 우주를 지배하는 궁극적인 물리 법칙에 대한 실마리가 감춰져 있다. 둘레 27킬로미터의 거대한 가속기 전체를 우주 공간보다 낮은 극저온 상태로 유지하는 초전도 기술에서 빛의 속도에 가깝게 날아가는 양성자 빔을 극히 정밀하게 조종하는 기술과 전 세계의 컴퓨터 네트워크를 이용하는 그리드 컴퓨팅 기술까지 현대 과학과 기술의 거대한 집합체인 LHC는 기계의 크기와 출력, 참가 과학자의 규모, 실험 사용 기술 등 모든 면에서 지상 최대의 과학 실험 장치이자 실험이다. 현재 LHC는 현대 입자 물리학의 한계를 넘어서는 것을 목적으로 하는 연구를 수행하고 있다. 우주의 시작과 끝은 무엇이고, 물질과 에너지의 궁극적 본질은 무엇일까? 아니, 우리는 어디까지 알 수 있을까? LHC는 이런 근본적인 물음들에 길잡이를 제공할 것이다. 1부 '데모크리토스의 꿈', 2부 '양자장의 바다에서', 3부 'CERN], 4부 '지금은 LHC의 시대' 모두 3개의 부로 이루어진 이 책은 방대한 정보를 토대로 LHC의 시공간적 전모를 소개하고 있다. 짧게는 원자 물리학이 형성되고 발전해 온 지난 100여 년, 길게는 인류의 선조인 한 호미니드가 고개를 들어 하늘의 해와 달과 별들을 바라보며 우주의 비밀을 궁리하기 시작한 이후의 모든 노력이 다다른 끝에 LHC가 있다. 고대 그리스의 데모크리토스에서 원자보다 더 작은 기본 입자의 세계에서 양자의 요동을 탐험하는 현대 과학자까지 궁극적 물음을 탐구하는 사람들과 그들이 만든 기계를 살피는 이 책은 새로운 앎의 우주로 독자들을 안내할 것이다. 신의 입자를 찾는 사람들의 이야기 입자 물리학의 미래는 LHC에 달려 있다. 앞으로 LHC가 가동될 수십 년 동안은 LHC를 중심으로 입자 물리학의 모든 것이 돌아갈 수밖에 없다. LHC는 우주와 물질을 이해하는 데 있어서 지금 우리가 해결하지 못한 문제점들에 해답을 주고, 우리가 알지 못하는 세계를 보여 줄 것이다. 지금까지도 여러 우여곡절이 있었고, 아마도 앞으로도 또 있을 테지만 이는 인류가 신천지에 발을 디디는 데 따르는 당연한 진통일 따름이다. 인간은 자신의 지성으로 우주를 이해하는 일을 멈추지 않을 것이며 그 기나긴 과정에서 LHC는 커다란 약진, 하나의 이정표가 되어 줄 것이다. 이제 LHC의 시간이 시작되었다. -본문에서 1부 '데모크리토스의 꿈'에서는 고대 그리스 철학자 데모크리토스에서 시작된 원자(더 쪼갤 수 없는 존재로 우주를 이루는 가장 기본적인 존재)를 찾는 모험에 대해 설명한다. 세상을 이루는 것은 원자와 빈 공간이라고 처음 주장한 데모크리토스의 원자론이 19세기 초반 화학자 존 돌턴을 통해 근대 원자론으로 재탄생하고, 이론적, 실험적 발견의 축적을 통해 19세기와 20세기 초 양성자와 중성자와 전자로 원자를 설명하는 원자 물리학으로 발전하고, 이것이 다시 양성자와 중성자를 이루는 쿼크와 글루온의 상호 작용으로 세상의 근본 요소를 설명하는 입자 물리학으로 발전하는 과정을 유려하게 설명한다. 과학 기술이 발전하고 실험 기술이 개량될수록 19세기까지는 종점이라고 여겨졌던 원자에서 더 많은 새 입자들이 튀어나오는 입자의 홍수 속에서 더 보편적이고, 더 근본적인 것을 찾아