최근 수정 시각 : 2019-07-05 22:08:50

LHC

파일:external/upload.wikimedia.org/Location_Large_Hadron_Collider.png
지도에 그려진 큰 원이 LHC, 작은 원이 SPS
1. 개요2. 검출기
2.1. ATLAS2.2. CMS2.3. ALICE2.4. LHCb
3. 목적4. 현재까지의 업적5. 유사과학론자의 떡밥6. 기타7. 바깥고리

1. 개요

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Large Hadron Collider(대형 강입자 충돌기)

스위스 제네바에 위치한 입자가속기CERN 소관의 인류 역사상 가장 거대한 실험장치이다.

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LHC의 간략 구성도. SPS, PS는 양성자 싱크로트론(Proton Synchrotron, 간단하게 양성자 부스터)으로 SPS의 첫 글자 S는 Super, 노란색 글씨는 충돌실험이 일어나는 관측기들을 의미한다. 다만 사진으로 봐도 알 수 있는 사실이겠지만 저 원 내부 전체가 LHC는 아니다. 실상은 저 '선 바로 아래'(+검출기)만 LHC에 해당한다고 볼 수 있다. 그리고 가속기와 검출기 전부가 지하 175m 지점에 묻혀 있어 아예 지하로 들어가지 않는 한 볼 수 없다. 심지어 아무 때에나 지하로 내려갈 수 있는 게 아니다. LHC가 가동되는 동안에는 방사능이 워낙 강해서 그렇다. 어느 정도냐면 가동 중지하고 일주일은 기다려야 겨우 들어갈 수 있을 정도.] 크기가 커서 그런 것도 있지만 더 중요한 것으로 우주선 및 외부 잡음으로부터의 영향을 최소화하기 위한 것이다. 방사선 차폐도 이유일 것이고. 실제로 대부분의 대규모 정밀 실험 장치들은 깊은 지하에 위치한다.

전 세계 85개국에서 1만 명이 넘는 저명한 물리학자들이 모여 25년간 약 32~64억 유로에 이르는 연구비(건설비, 유지보수비, 실험비용 포함)를 투입하였다. 크기는 둘레 27km, 예상 출력 에너지는 14TeV이고, 현재 13TeV로 구동 중에 있다. 전자석을 초전도체로 만들었기 때문에 10K(영하 263℃)의 온도가 유지되고 있는, 세계에서 가장 차가운 곳이기도 하다.[1]

양성자-양성자, 양성자-원자핵(Pb), 원자핵-원자핵(Pb-Pb)의 충돌[2]을 통하여 재현되는 고온 고압의 '미니 빅뱅'에서 '쿼크-글루온 플라즈마'로 알려진 극한상태의 핵물질이 만들어질 것으로 예측하고, 그 존재와 특성을 실험적으로 검증하고 있다. 각기 다른 물리학적 목표를 가지는 네 개의 검출기(ATLAS, CMS, ALICE, LHCb)에서 충돌 실험이 수행되고 있으며, 그에 따른 결과 기록 및 분석 작업 또한 이루어지고 있다.

양성자-반양성자 충돌 실험이 아니다. 전공자가 아닌 사람이 보기에 양성자-양성자 충돌로는 쌍소멸 같은 걸 못 만들어서 의미 없는 실험이지 않은가 하고 반문할 수도 있겠다. 하지만 양성자는 내부 구조를 가지고 있으며 특히 쿼크보다 글루온이 더 많다.[3] 글루온들끼리는 상호작용이 가능하며, 이들의 반응을 통해서도 쌍소멸 못지 않은 다양한 반응이 가능해진다. 일례로 힉스 입자가 나올 수 있는 가장 대표적인 프로세스로 글루온 두 개가 중간 다리 역할을 하는 탑 쿼크 루프를 만들어 힉스 하나를 방출하는 케이스. 또한 양성자 내부에는 실질적으로 훨씬 더 많은 쿼크들이 존재할 수 있다. 반 업 쿼크, 반 다운 쿼크는 물론 심지어 그 무거운 바텀 쿼크도 존재할 수 있다. 간단히 쌍생성-쌍소멸이 계속 반복되는 상황을 생각하면 좋다. 심지어 양성자의 에너지에 따라 쿼크들과 글루온의 분포가 바뀌며 무거운 쿼크들의 분포가 꽤 많이 커지게 된다. 그래서 양성자-양성자 충돌로도 충분히 실험이 가능한 것. 물론 양성자-반양성자 충돌이 뭔가 더 살뜰해 보일 수도 있겠지만 둘 다 양성자로 할 경우 가장 큰 이점이 뭐냐면 충돌 이벤트 개수를 크게 늘릴 수 있다는 것이다. 양성자야 수소 원자가 지구 상에 널린 만큼 얼마든지 끌어다 쓸 수 있지만 반양성자는 인공적으로 만들어야 하며 많이 만들기가 어렵다. 그래서 양성자-반양성자 충돌 실험을 한 테바트론보다 훨씬 더 많은 충돌 횟수를 LHC는 쉽게 얻을 수 있는 것이다. 그럼에도 테바트론에서 굳이 양성자-반양성자 충돌을 쓴 이유를 들자면 사실 물리적으로 복잡한 이야기이다. 테바트론의 에너지 레벨에서는 미묘하게도 양성자-반양성자 충돌이 양성자-양성자 충돌보다 흥미로운 반응들을 좀 더 많이 끌어낼 수 있었다. 특히 테바트론의 주요 목표인 탑 쿼크 발견을 하기 위해서는 양성자-반양성자 충돌이 그 당시 에너지 레벨에서 더욱 효율적이었다. 물론 테바트론보다 에너지 레벨이 낮아지면 낮아질 수록 양성자-반양성자 반응이 양성자-양성자 반응보다 훨씬 더 쓸만해진다. 괜히 LHC 이전 세대 강입자 가속기들이 모두 양성자-반양성자 충돌을 택했던 게 아니다. 거꾸로 말하자면, LHC의 출력이 충분히 높아져서 이제는 양성자-양성자 반응이 양성자-반양성자 반응보다 더욱 효율적이게 됐다는 것이다.

테바트론과 비교했을 때 LHC가 진일보한 점 중 또 한 가지로 연산 능력을 들 수 있다. 테바트론이 건설되고 운용될 때에 비해 LHC가 가동을 시작할 때 즈음에 컴퓨팅 파워는 눈부실 정도로 향상되었다. 테바트론에서 연구하신 분들 말에 따르면 당시에는 몇십 메가 바이트 짜리 데이터들로 빠듯하게 프로그래밍을 했어야 했다고 한다. 지금 LHC는 가동 시에 이미 초당 기가 바이트의 데이터를 내뿜는다. 한 주제를 가지고 분석을 할 때 일년 치 데이터가 어느 정도 추려서 수 테라 바이트에 이른다! 참고로 이건 시뮬레이션을 제외하고 실험으로 나온 데이터만 가지고 추렸을 때의 수치이고, 그마저도 너무 자세한 걸 제외한 것들만 쳤을 때의 데이터이다. 그리고 이런 데이터들을 분산 처리할 수 있는 막강한 전산 시스템들이 CERN 내 뿐만 아니라 세계 도처에 있다. 지금 이 순간에도 수많은 클러스터 컴퓨터들이 열심히 시뮬레이션하고 데이터를 가공하고 분석하고 있는 중이다.[4] 좀 더 비교를 하자면 예를 들어 LHC에서 2016년 한 해 동안 모은 데이터는 대략 36 fb-1[5]인데, 테바트론이 2002년부터 2011년까지 모은 데이터는 대략 10.5 fb-1이다. 1년 동안 모은 게 9년 동안 모은 것보다 3배 넘게 많은 수준이다! 생각보다 많지 않을 수도 있겠지만 충돌 하나하나로부터 얻어진 데이터의 크기가 엄청나게 차이나는 것도 감안하면 그야말로 천지차이. 거기다 입자의 경로를 파악하는 데 있어서 LHC 전에는 구현이 어려웠던 재구성 알고리즘을 이젠 아무렇지 않게 쓴다. 그것도 모자라 기술이 더 발달해 이젠 그 휘도를 10~100배로 올리는 업그레이드가 차후 진행될 예정에 있다.

LHC의 물리학적인 목표는 크게 두 가지로 구분할 수 있는데, 첫 번째는 ‘빅뱅이 발생한 후 100만분의 1초 사이에 어떤 일이 일어났는지를 알아내는 것’으로 ALICE 실험에서 주도하고 있고, 다른 하나는 ‘모든 물질에 질량을 부여하는 기능을 하는 신의 입자라 불리는 '힉스 보손(boson)을 찾아내는 것’으로 CMS와 ATLAS 실험에서 주도하고 있다. 이로부터 핵을 형성하는 강력한 힘이 어떻게 작용했고 기초적인 입자들이 어떻게 뭉치게 됐는지, 즉 우주를 구성하는 물질의 기원을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대하고 있다. 물론 이건 크게 잡은 목표고 펀딩과 대중적인 이미지를 위한 목표 실제로는 더 범용적이다. 즉, 입자물리학에서 다루는 거의 모든 현상을 탐구하는 올라운드 플레이어인 셈.

물리학에서의 표준모델은 하나의 긴 수학공식이라고 할 수 있는데, 몇 가지 미묘한 문제들(계층성 문제 등) 때문에 초대칭성(supersymmetry)이라는 개념이 도입되었다. 최소 질량의 초대칭 입자(Lightest Supersymmetric Particle)은 또한 암흑물질의 좋은 후보가 되기 때문에 초대칭성이 존재하는지, 그리고 그 에너지 스케일은 어느 정도인지도 LHC가 밝혀낼 수수께끼 중 하나이다.

이 외에도 중성미자 질량 문제, 대통일 이론(강력+약력+전자기력)의 모습은 어떤 것인지, 고에너지(특히 탑 쿼크) 입자에 관련된 상수나, 대칭성이 얼마나 깨져있는지 등등이 LHC의 관심사라고 할 수 있다.

이렇게 새로운 물리에 대한 이야기가 가득하지만 한편으로는 현재 완성되었다고 볼 수 있는[6] 표준 모형을 검증하는 것도 LHC에서 보고자 하는 것 중 하나라고 볼 수 있다. 사실 에너지 영역에 따라 표준 모형이 그려주는 입자들 반응의 양상이 바뀐다. 에너지-산란단면적(cross section) 관계를 검증하는 게 그 중 하나. 실제로 LHC의 에너지 출력(7~8 TeV, 13 TeV) 별로 관심 있는 반응의 산란단면적을 찍어두고 이를 표준 모형의 예측과 맞춰보는 플롯을 쉽게 찾아볼 수 있다. 그리고 투입되는 에너지에 따라 반응의 세기가 달라지는 등 복잡한 양상을 갖고 있기에 충돌 에너지가 바뀔 때마다 이미 분석된 반응을 다시 분석하곤 한다. 물론 그 이면에는 표준 모형의 예측과 실제 실험 결과가 안 맞는 걸 찾아서 표준 모형 너머의 새로운 물리를 보려고 하는 목적도 있긴 하고 사실 이게 표면적인 주요 이유어른의 용어로 말하자면 펀딩을 위한 이유에 들어가기도 하지만. 2018년에 이르기까지 새로운 물리에 대한 뚜렷한 단서가 아직 안 나와서 이젠 다들 표준 모형을 검증하는 게 주 목적이라고.

물론 이렇게 말하면 섭섭할 수도 있는 게, 표준 모형이 완성되었고 표준 모형 너머의 무언가에 대한 단서가 LHC로부터 나오지 않았다지만[7] 그렇다고 우리가 표준 모형을 제대로 이해하고 있다고 말할 수는 없기 때문이다. 아직 충분히 정밀하게 측정이 안 된 변수들이 많기도 하고. 게다가 QCD process와 같이 표준 모형의 동역학을 적당히 근사시켜 모델을 만들 수 밖에 없는 영역이 있는데[8] 엄청나게 많고 복잡한 연구를 통해 이 모델들을 상당히 개선시켰지만 여전히 안 맞는 게 많다. 마치 슈뢰딩거 방정식을 안다고 모든 고체의 물성을 다 완벽하게 알 수 있는 게 아니고 그 위에 또 적당한 근사를 통한 모델을 세우고, 그 모델이 또 안 맞는 게 많으며 그래서 슈뢰딩거 방정식이 발표되고 거의 100년이 다 되었음에도 불구하고 여전히 물성에 대한 연구가 활발한 것처럼, 표준 모형 자체에 (아직까지) 의심의 여지가 없다지만 아직 우리가 아는 건 많지 않다고 할 수 있는 것이다. 실제로 표준 모형이 예측한 입자들 중에 아직까지 발견 안 된 것들도 많다. 2015년에 발견된 펜타 쿼크가 그 예시 중 하나였다.

CERN에서 테스트 차원에서 입자 하나씩만 쏘는 실험을 현지 시각으로 2008년 9월 10일 오전 9시 38분에 시작했고 10시 20분 무사히 실험을 마쳤다. 다만 2008년 9월 20일, 고장이 나서 두 달간 가동이 멈췄다. 원인은 전기적 접촉 불량 -> 온도 상승 -> 자석이 초전도성을 잃음 -> 엄청난 양의 전류[9]가 물리적 힘으로 작용 -> 진공 sealing 손상 -> 냉각재 손실(폭발) 뻥! -> 뻐버벙!!

2009년 11월에는 냉각 중 온도 상승 사고가 발생하여 문제 원인을 알아보니 비둘기가 물어온 것으로 추정되는 바게트 조각이 실험기로 떨어져서였다고 한다.

그 외에도 크고 작은 문제들이 발견돼서 실제로 작동을 개시한 건 2010년 3월 30일이였다. 그리고 당연히 아무 일도 일어나지 않았다.

CERN에선 컴퓨터 서버를 놓을 돈을 구하기보단, 최근 유행하는 그리드 컴퓨팅을 도입하여 전 세계 컴퓨팅 센터 및 물리학 연구소(및 자발적 지원자)들을 대상으로 [email protected]이란 프로젝트를 BOINC에서 돌리고 있다. 근데 프로젝트는 하나도 없고, 유령이나 다름없다[10] 그러나 구 프로젝트는 버리고 [email protected] 1.0이 가동 중이다. 만약 제대로 물밀듯이 밀려오는 작업을 보고 싶다면 [email protected]을 이용하면 좋다. GPU 연산도 지원.

2. 검출기

그 거대함과 만들어지는 크고 아름다운 에너지 때문에 세간에는 가속기만 알려져 있으나 사실 검출기도 이에 못지 않게 중요하다. 양성자-양성자 충돌을 시켜서 얻어지는 결과를 충분히 잘 받아내기 위해 검출기 역시 매우 잘 설계 및 제작이 되어야 하며 각 검출기의 특성에 따라 어떤 방식으로 데이터를 분석할 전략을 세울 수 있기 때문이다. 사실 입자물리학계에서는 LHC 실험이라고 하기보단 ATLAS 실험, CMS 실험, LHCb 실험, ALICE 실험이라고 더 많이 부른다. 이는 테바트론, LEP 등 과거 검출기에도 똑같이 계속 적용되어 왔다.

ATLAS는 본진이라고 할 수 있는 메헝(Meyrin) 사이트 바로 옆에 있다. 같은 범용 검출기인 CMS는 교차검증 때문에 정반대 편에 위치해 있다. 덕분에 CMS 일하는 사람들은 쉬프트(shift) 서러 갈 때마다 울쌍인데, 보통 숙소를 CERN 본진인 메헝 사이트로부터 가까운 상제니푸이(Saint-Genis Pouilly)나 페르니볼테르(Ferney-Voltaire)에 잡기 때문. ALICE와 LHCb는 각각 상제니푸이와 페르니볼테르 근교에 자리 잡고 있다. 물론 이들 검출기들은 지하 깊숙한 곳에 묻혀 있기 때문에 건물 말고는 직접 보는 것이 어렵다. 다행히 메인 빌딩에 페인트로 각각의 검출기들을 멋지게 그려놨으니, 못 들어가는 사람들은 그걸로라도 위안을 삼자.

2.1. ATLAS

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A Toroidal LHC ApparatuS(도넛형 LHC 장치)

농담 아니고 저기서 HC를 제외한 나머지 대문자를 모아서 지은 이름이다. 입자물리 실험 장치들을 보면 이런 작명 센스가 유독 많다. 거의 10층 짜리 건물 한 채에 이르는 어마어마한 크기를 자랑한다. 일반적인 목적(General purpose)을 위한 검출기, 즉 범용 검출기인데, 무슨 말이냐면 가속기 입자 물리 실험에서 할 수 있는 웬만한 주제를 커버할 수 있다는 뜻이다.

검출기들 중에서도 그나마 얼굴이 잘 비춰지는 녀석인데, 이름도 그렇고 이 검출기의 위치도 그렇고 심지어 충돌 이벤트 하나를 3D 그래픽으로 그려주는 것도 이쪽이 더 잘 해서 대중에게 더 많이 노출된다고.

2.2. CMS

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Compact Muon Solenoid(소형 뮤온 솔레노이드)

이름 그대로 좀 더 작고(Compact) 뮤온(Muon)을 더 잘 보는 검출기. ATLAS에 비하면 살짝 더 작으나 무게는 더 나간다고. 이 녀석도 범용 검출기이다. 범용 검출기가 두 대 있는 이유는 아무래도 교차 검증 때문. 그 때문인지 ATLAS가 있는 곳 정반대 편에 위치해 있다. 그래서 힉스 입자가 처음에 발견되었을 때에도 ATLAS와 CMS 둘 다의 결과가 같이 나왔었다.

그렇다고 해도 둘이 아예 똑같은 건 아니고 여러 모로 다른 모습을 볼 수 있는데, 대표적인 것 중 하나로 뮤온 검출기 파트의 크기. ATLAS와 비교해 보면 트랙커와 칼로리미터들이 왜소하다 싶을 정도로 뭔가 작아 보이는 반면에 뮤온 검출기 부분은 압도적인 크기를 자랑한다. 때문에 뮤온 검출에 있어서는 엄청난 수준. 사실 뮤온에 집착하는 이유 중 하나가 뭐냐면 그나마 볼 수 있는 입자들 중에 뮤온이 제일 깔끔하게 관측할 수 있는 입자이기 때문. 질량과 수명이 충분히 크고 길어서 모든 검출기 영역을 다 훑고 지나가며 그만큼 궤적이 길고 남기는 것도 많아 에너지와 운동량을 더 잘 잴 수 있기 때문. 더군다나 뮤온 검출기까지 도달할 수 있는 전하를 띤 입자가 사실 상 뮤온 하나 뿐인 것도 있고. CMS는 뮤온 검출에 더 스택을 많이 준 케이스라고 보면 되겠다. 물론 그렇다고 다른 입자들 검출이 소홀하면 안 되며, 실제로 트랙커, 칼로리미터의 성능 역시 굉장히 좋아서 연구하기에 충분한 수준. 다만 ATLAS에 비하면, 특히 HCAL(Hadron Calorimeter)는 좀 떨어진다... 그래도 어쨌든 중요한 발견은 다 할 수 있는 수준이라서 힉스 입자가 발견되었을 때라든가 뭔가 중대한 결과가 나오면 ATLAS와 항상 같이 그 결과가 발표되는 편이다. 뭔가 2인자 느낌

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CMS의 슬라이스 단면. 어떤 입자가 검출기의 어디까지 갈 수 있는지를 보여준다. 특히 이 정보는 검출된 입자의 정체가 무엇인지 확인하는데 있어서 중요한 역할을 한다.

뮤온에 몰빵한 이유 중 하나가 뭐냐면 상당 수의 흥미로운 반응이 뮤온을 포함하고 있기 때문. 일단 특정 반응을 보려고 할 때 제일 먼저 보는 것 중 하나가 생성되는 렙톤(전자, 뮤온) 개수인 것만 봐도 그렇다. 대표적인 예가 H -> ZZ -> 4 muon.[11] 사실 양성자-양성자 충돌로 뮤온이 방출되는 케이스라면 뮤온을 전자로 바꾼 케이스도 거의 같은 수만큼 있긴 한데[12], 사실 전자를 잘 보는 것보다 뮤온을 잘 보는 게 더 깔끔하게 할 수 있어서 그런 것도 있다.

현재 우리나라의 수많은 대학교들이 KCMS라는 이름의 사업 아래 CMS와 협업을 진행하는 중에 있다. 유독 CMS 내용이 풍성해 보이는 이유 CMS로부터 관측되는 데이터들을 분석하는 것은 물론 CMS의 업그레이드를 위한 여러가지 연구를 진행 중에 있다. 특히 2023년에 있을 LHC의 대대적인 업그레이드 때에 새로운 검출기들이 추가를 설치될 예정인데, 그 중 뮤온 검출기의 몇몇 파트의 핵심 부품 중 일부를 우리나라에서 제작하여 납품할 계획에 있으며, 이 파트를 위한 소프트웨어 개발 등에 있어서도 중요한 역할을 수행하고 있다.

2.3. ALICE

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A Large Ion Colliding Experiment(거대 이온 충돌 실험)

ATLAS와 똑같은 작명 센스로 지어진 이름을 가졌으며, 맨 앞의 A는 부정관사다. 이 쪽은 그 이름에 걸맞게 무거운 이온 충돌에 특화된 검출기다.

LHC의 홍보 문구 중 하나로 납과 같은 무거운 원자들의 핵을 부딪혀 빅뱅 이후 1초 후를 재현한다는 것이 있는데, 그 충돌 과정을 전문적으로 잡아내는 검출기이다. 다만 ALICE만 하는 것은 아니고 ATLAS와 CMS도 이 충돌로부터 나오는 걸 볼 수는 있어서 놀게만 냅두기는 뭐 하니까 ATLAS와 CMS에서도 중이온을 돌리는 시즌에 검출기 켜 놓고 데이터를 받긴 하는데, ALICE가 여러 모로 특화된 게 많아서 중이온과 관련된 중요한 결과는 ALICE에서 더 많이 나온다.

ATLAS가 칼로리미터, CMS가 뮤온에 스택을 잔뜩 올렸다면 ALICE는 트래커(tracker)에 좀 더 몰빵한 녀석이다. 트랙커는 충돌로부터 나온 입자들의 궤적을 맨 처음 받아들이는 검출기로 그러다 보니 빔 라인과 제일 가까운 영역에 자리잡고 있다. 전하를 가진 입자들의 궤적은 일차적으로 여기서 측정된다. 그런데 쿼크-글루온 플라즈마(quark-gluon plasma)로부터 생성되는 부산물들은 일단 양이 어마무시하게 많다. 원자보다 작은 입자들이 무더기로 쏟아지기 때문에 이들 하나하나 헤아리는 것이 보통 일이 아닌데, 가뜩이나 좁은[13] 트랙커 안에서 제한된 분해능을 가지고 입자들의 궤적을 최대한 많이 분류해야 하는 상황이니, ATLAS와 CMS 정도의 트랙커 만으로는 다소 버겁다. 그러다 보니 ALICE의 트랙커는 처음부터 ATLAS와 CMS와는 비교를 불허할 정도로 촘촘하고 정밀하다. 거기다 TPC(Time Projection Chamber), TRD(Transition Radiation Detector), TOF(Time Of Flight) 등의 도움을 받아 엄청난 수의 입자 궤적들을 하나하나 구분하는 걸 가능하도록 할 수 있다. 한마디로, 빅뱅 1초 후의 혼란스러운 상황을 제대로 들여다 보기 위해 스택을 몰빵한 검출기.

우리나라에서는 부산대학교, 인하대학교, 연세대학교, 세종대학교, 전북대학교, 강릉원주대학교가 KoALICE 실험 그룹 (한국 앨리스 실험팀) 으로 ALICE와 협업을 진행하는 중에 있다. KCMS와 더불어 한국-CERN 협력 사업의 큰 한 축을 담당하고 있으며 한국 핵물리학[14] 분야에서도 큰 부분을 차지하고 있다.

2.4. LHCb

이름 그대로 b쿼크(보텀 쿼크)를 집중적으로 보기 위한 검출기. 이 녀석은 다른 세 검출기와 비교했을 때 다소 특이한 게, 입자-입자 충돌 실험이 아니라 입자-타겟 충돌 실험이다. 아무래도 검출기 모양도 그렇고 에너지 레벨을 보텀 쿼크 대량 생성에 맞추도록 하기 위한 것인 듯.

보텀 쿼크는 여러 모로 신비로운 성질을 많이 가진 입자이다. 재밌는 것 중 하나가 보텀 쿼크가 포함된 메손(meson)의 수명이 꽤 길다는 것. 그래 봤자 광속으로 날아갔을 때 수 mm~수 cm에 불과하나, 질량에 비하면 굉장히 멀리 가는 수준. 사실 이 성질을 이용해서 검출된 어떤 입자가 보텀 쿼크에서 왔는지 안 왔는지 꽤 잘 판단할 수 있으며, ATLAS와 CMS에서는 이 성질을 아주 잘 써먹고 있다. 이러한 성질을 보다 더 잘 관찰하기 위한 것도 있고, 또한 해당 쿼크의 CP 위반(CP violation) 기여 정도를 보기 위한 것도 있고, 여러 모로 보텀 쿼크를 깊게 탐구하기 위한 실험이라고 볼 수 있다.

3. 목적

이 기구를 통해 과학자들은 다음과 같은 결과를 얻기를 바라고 있다.
  • 약전자기 대칭은 어떻게 깨지는가? 표준 모형에서 예측하는 힉스 메커니즘에 의한 것인가? 그렇다면, 힉스 보존의 질량은 무엇인가?
  • 표준 모형이 중입자 질량의 비를 정밀히 예측하는가? 아니라면, 표준 모형을 어떻게 확장하여야 하는가?
  • 초대칭이 존재하는가? 초대칭이 예측하는 추가 입자 (초짝입자)가 존재하는가?
  • 물질반물질 사이에 명백한 비대칭이 있는 것인가? (CP 위반)
  • 초끈 이론 등에 의해 예측된 추가 차원이 실재하는가?
  • 암흑물질은 무엇으로 이루어진 것인가? 암흑에너지의 정체는 무엇인가?
  • 중력이 다른 상호작용에 비해 터무니없이 약한가? (계층 문제)

4. 현재까지의 업적

그런데 가동을 시작한 후 한동안 아무 일도 일어나지 않아서 전 세계 물리학자들의, 특히 수십 년간 초대칭 이론을 연구해온 학자들의 애간장을 태웠다. 초대칭 이론이 맞는다면 여러 초입자(superpartner)들의 발견 소식이 들려와야 했는데 너무나 잠잠했기 때문이다. 2011년 2월 28일에는 결국 원래 예측된 에너지 범위에서는 초입자가 나타나지 않는 것으로 결론을 내렸고 그 후 더 높은 에너지 범위에서 다시 탐색을 계속할 예정이라고 발표했다. 이것만으로도 이미 초대칭 이론[15]은 수정이 불가피하며, 만약 초입자들이 계속 발견되지 않는다면 초대칭 이론은 폐기될지도 모를 위기에 처했다.

힉스 보손의 존재가 2013년 LHC 실험을 통해 발견되었다. 예전에는 '페르미 랩'에서 입자가속기 테바트론을 이용해 실험하고 있었다. 다년간의 축적된 운용경험, 데이터, 분석노하우를 통해 LHC측과 공동 분석을 해왔다. 다만 2011년 9월, 페르미랩에서는 입자가속기 테바트론의 운행을 28년 만에 중단하기로 결정했다. LHC보다 에너지 수준이 낮아서 새로운 발견이 나올 가능성이 별로 없다는 점이 크게 작용했다.

초기에는 아무 소식이 없었으나, 2011년 12월 7일, 힉스 입자가 125 기가전자볼트 즈음에서 발견되었단 설레발적인 루머가 나왔다. 7일 것도 좀 의외였는데, LHC최대 출력인 7테라전자볼트가 아닌 125기가전자볼트 즈음 ATLAS에서 발견되었다는 것. 사실 이 정도면 테바트론의 최대출력 이내인데 정작 페르미랩에서 이제까지 발견하지 못했다는 것.[16]

2011년 12월 14일에는 CERN 웹캐스트를 통해 '존재한다는 증거가 발견되었다'는 내용이 발표되었으며, 2012년 7월 4일 힉스입자로 추정되는 소립자를 발견[17]했다고 공식으로 발표했다. 결국 2013년 3월 14일 힉스입자 발견 사실을 인정하였다. 이 발표로 당분간은 현재의 표준 이론(Standard Model)에 대대적인 수정이나 완전히 새로운 모델의 필요성은 거론되지 않게 되었다. 그리고 처음 힉스 입자의 필요성을 주장한 피터 힉스도 2013년 노벨상을 탈 수 있었다.

다만 이는 페르미랩에서 연구가 제대로 되지 않았다는 의미는 아니다. 사실 테바트론은 LHC보다 오히려 힉스 입자를 발견하기 쉬운 유형의 가속기이며, 실제로 페르미랩에서의 실험결과를 분석해도 힉스 입자의 존재를 뒷받침하는 결과를 얻어낼 수 있었고 힉스입자 발표에서도 페르미랩의 결과도 힉스입자의 존재를 뒷받침한다는 언급이 나왔다. 문제는 힉스 입자의 붕괴 과정은 다른 현상 내지는 실험 과정의 노이즈와 구별하기 어렵기 때문에 상당히 많은 실험결과와 통계적 분석 기법을 필요로 하는데, 테바트론의 에너지 수준과 휘도(luminosity)[18]로는 도저히 힉스 입자의 존재를 노이즈와 확실하게 분별할 수 있을 정도의 결과를 얻어낼 수 없었던 점이다. 즉 힉스입자의 존재를 확인한 상태에서 분석하면 페르미랩의 결과도 힉스입자의 존재를 뒷받침하는 것을 알 수 있지만 페르미랩의 결과만으로는 힉스입자의 존재나 성질을 얻어내기는 무리였다는 것이다.

무려 2년 동안 공돌이들을 갈아넣은 다음 2015년 5월 그동안 모자라는 출력을 13TeV로 증강시켜 재가동한다.

5. 유사과학론자의 떡밥

실험 도중 블랙홀의 생성으로 지구가 소멸할 것이라는 유사과학끼가 넘치는 지구멸망설이 제기되고 있고, 일부 가짜 과학자들(과 컴퓨터 그래픽 장인들)이 그럴듯하게 동영상도 만들며 낚시질을 일삼고 있다. 심지어 모 신문사에서는 LHC가 미니블랙홀을 만들기 위한 것이라고 오보를 내기도 했다. 실험을 중지 해야 한다는 소송이 걸리기도 했으나 실험 측은 '실험을 통해 만들어지는 입자 에너지로 미니 블랙홀이 생성된다면, 천체관측으로 이미 수많은 미니 블랙홀들을 발견했을 것이다'라고 대응하였다. 무엇보다도 지구로 날아오는 우주선 중에는 LHC가 만들 수 있는 에너지의 천만 배를 넘어가는 에너지를 가진 것들이 심심치 않게 목격되지만, 지구는 여전히 멀쩡하다.[19]

한 연구원이 심히 고든 프리맨을 닮아 본 실험에 우려를 증폭시켰다. 하필 하프 라이프란 게임 자체가 저런 초대형 실험의 실패로(공간이동 실험) 외계인이 침공한다는 내용이다. 문제의 사진에 찍힌 저 고든 프리맨을 닮은 사람도 그 사실을 주워들었는지, 2008년 가을 몸소 CERN의 연구소 앞에서 쇠지렛대를 들고 인증을 하는 팬 서비스를 감행하였다. 참조

참고로 다른 사진들 보면 위의 주인공 고든 프리맨 말고도 게임 내 세계관에 중요한 역할을 하는 캐릭터 G-man도 같이 보인다.

존 티토의 예언에서 언급되기도 하였다. 또한 플래시포워드 소설에서는 플래시 포워드를 일으킨 원흉. 슈타인즈 게이트 게임 및 애니메이션에서는 타임머신 연구를 위해 블랙홀을 생성하는 장치로 등장한다.

6. 기타

  • 2016년 4월 말에 족지베로 추정되는 작은 동물이 LHC 내부의 전선을 갉아먹다가 감전사하면서 LHC의 작동이 중단되었다.
  • 게임 레드얼럿 3 업라이징에서 퓨처테크의 시공간 절단기가 이것을 모티브로 했다. 심지어 장치의 전체적인 모습마저 똑같다.
  • 비디오 게임 Steins;Gate에서 SERN이라는 과학기관이 가지고 있다. 후속작인 Robotics;Notes에선 상기 '입자충돌 실험에 의한 지구멸망설'을 토대로 만들어진 블랙홀 폭탄(BHB)이 등장한다.
  • 로버트 J. 소여의 플래시포워드에서는 LHC로 인해 모든 사람들이 137초 동안[20] 정신을 잃고 정신을 잃은 동안 사람들은 6개월 후의 미래의 자신의 모습을 보게 된다.
  • ATLAS 측정기에 충돌하는 입자들을 음악으로 바꿔주는 사이트가 있다.은근 리듬 잘 탄다

7. 바깥고리


[1] 가동될 때에는 무려 1.9K(-271.3℃)까지 내려간다. 우주의 온도가 2.7K(-270.5℃)이므로 가동될 때에는 우주에서 가장 추운 곳이기도 하다. 그리고 이는 LHC의 홍보용 문구이기도 했다. 다만 지상의 저온실험실에선 1.9K보다 더 낮은 온도를 만들 수 있기는 하다.[2] 미국RHIC에서도 동일한 방식의 실험을 수행하고 있는데, 여기는 LHC보다 에너지대가 낮다든지, 납 원자핵 대신 금 원자핵을 쓴다든지 등의 차이점이 있다.[3] 그러고 보면 업 쿼크 두 개 질량(대략 2.3 MeV)과 다운 쿼크 질량(대략 4.8 MeV) 하나를 합친 값은 양성자 하나의 질량(938 MeV)보다 턱없이 작다. 나머지 질량은 글루온으로부터 온다. 글루온 질량이 0이지 않냐고? 상대성 이론에 따르면 여러 입자가 있는 시스템의 질량을 구하는 건 단순히 입자들의 질량을 더하는 방식이 아니라 전체 에너지, 전체 운동량을 같이 계산에 넣어야 얻을 수 있는 것이다. 자세한 내용은 생략하겠지만 그런 이유로 글루온이 쿼크보다 훨씬 더 많은 셈. 실제로 관측된 parton distribution function을 봐도 그렇고.[4] 참고로 우리나라에서는 KISTI가 CMS, ALICE와 협업을 하면서 막대한 전산 처리와 데이터 저장을 지원해 주고 있다. 이를 위해 가동 중인 슈퍼컴퓨터로 우리나라의 입자물리학자들이 활발한 연구를 진행하는 중에 있다. 그 외에도 경북대, 서울시립대 등 여러 대학에서 운영하는 슈퍼컴퓨터도 한몫 하는 중이다.[5] 휘도(luminosity)는 면적밀도 단위로 나타낼 수 있는데, 여기서 1 b = 10-24 cm2이다. 물론 f는 femto로 10-15. 즉, 36 fb-1 = 3.6 × 1040 cm-2이다.[6] 사실 힉스 입자 발견 전에도 정황 상 이미 완성되어 있다고 굳게 믿어진 상태였다. 힉스 입자가 뜻밖에도 낮은 에너지 영역에서 튀어나온 게 의아할 뿐.[7] 물론 중성미자 질량 문제, 계층 문제, 암흑 물질과 암흑에너지 문제, 사라진 반물질 문제 등등 표준 모형이 부족하다고 지적하는 다른 영역들의 문제가 너무 많기 때문에 여전히 이를 위한 단서를 찾으려고 하는 거고.[8] 쿼크들과 글루온들은 색가둠(Color confinement)에 의하여 절대 단독으로 관측되지 않는다. 이러한 성질은 쿼크들과 글루온들이 반드시 강입자(hadron)로 변하도록 하는데, 그 양상이 너무 복잡하고 심지어 섭동 이론으로 기술할 수도 없는 영역이 되어 버리는 탓에 그 예측이 사실 상 어렵다. 그래서 적당한 근사를 통해 모델을 세워서 탐구할 수 밖에 없고, 실제로 이 영역의 관련 모델은 꽤 많다. 덧붙여서 그 이전 단계에서 쿼크들과 글루온들이 생성되는 과정 역시 쉽게 계산될 수 있는 부분이 아니며 적당한 근사와 그 근사들을 한데 이어붙이는 작업을 통해 예측을 시도한다.[9] 초전도 자석을 도배했기 때문에 그냥 내부에 돌고 있는 순수한 전기 에너지만 해도 장난이 아니다.[10] 당연한 게 2011년 중반까지도 돌고 있는 입자 개수=충돌 횟수가 당초 계획에 매우 못미친다. 그리고 가동 전~가동 초기에 [email protected]으로 시뮬레이션을 무쟈게 돌렸다.[11] 여기서 4개의 뮤온 중 2개는 반뮤온이다.[12] 뮤온의 질량마저 낮아 보일 정도로 높은 에너지에서 W와 Z가 전자-중성미자로 붕괴될 확률과 뮤온-중성미자로 붕괴될 확률은 거의 같다.[13] 좁으면 좁을 수록 입자들의 궤적이 겹치는 정도가 심해 여러 입자들의 궤적을 제대로 분별하기가 힘들다.[14] 1950~60년대부터 입자물리학과 핵물리학의 분과가 이루어지기 시작했다.[15] 가장 간단한 형태.[16] 사실, 테바트론이 똑같이 양성자-양성자 충돌 실험을 1TeV(질량중심 에너지)크기로 했다 하더라도, 입자가 반응하는데 사용하는 에너지를 1TeV만큼 가져가는 일은 일어나지 않는다. 양성자 내에는 업 쿼크이 두개 다운 쿼그가 한 개 있다. 그뿐만이 아니라 양성자 속에 담긴 엄청나게 많은 수의 글루온들도 있다. (사실 글루온이 양성자의 대부분을 차지한다고 해도 과언이 아니다.) 여기에 엄청난 속도로 쿼크들로 이루어진 방울들이 생겨났다 사라져서 이것들이 모두 0.5TeV를 사이좋게 나눠먹는다. 때문에, 힉스가 발견되기 위한 최저 에너지 125GeV보다 큰 에너지를 가지는 충돌이 상대적으로 매우 적어서 보았더라도 배경사건이구나 하고 치부 할 가능성이 생긴다. 발견당시 LHC에서조차 (스핀이 0인지 아닌지 판단하기위해) 틀림없이 확실한 힉스 발견 사건개수를 가려봤을 때 딸랑 12개였다는 것을 고려하면, 테바트론에서 발견하지 못했다는 것도 어떤 의미로는 당연하다고도 볼 수 있다.[17] 엄밀히 말하자면 힉스 입자를 발견한 게 아니라 힉스 입자가 붕괴되는 것 같은 붕괴현상을 발견했다. 광자 2개로 붕괴한 듯.[18] 에너지 수준과 더불어 테바트론이 불리한 큰 이유 중 하나. LHC는 양성자-양성자 충돌을 수행하는 것으로 두 입자 모두 흔하디 흔한 양성자인 반면에 테바트론은 양성자-반양성자 충돌로 일단 한 쪽이 구하기 어려운 반양성자이다. 때문에 테바트론에서 1~2년 동안 어렵사리 모은 데이터량을 LHC는 한 달 내에 가뿐히 받을 수 있다.[19] 사실 이 떡밥은 무려 몇 십 년 전부터 당시 최대 에너지의 입자 가속기가 만들어질 때마다 끈질기게 재등장한다. 조심해서 나쁠 건 없지만 좀 지겹다.[20] 참고로 이 값은 양자역학양자전기동역학에서 가장 중요한 상수 중 하나인 미세구조상수 α=e24πϵ0c1137 \alpha = {e^2 \over 4 \pi \epsilon_0 \hbar c} \sim {1 \over 137} 의 역수이다.