거대강입자가속기는 빛의 속도로 가속시킨 양자를 충돌시킨 후 튕겨 나온 입자를 분석해 우주를 탐구하는 실험 장치다.
스위스와 프랑스의 국경 인근 지하 100m에 건설된 거대강입자가속기의 터널은 원형으로 돼 있는데, 여의도 둘레의 네 배에 가까운 27km에 달한다. 인류가 만들어 낸 가장 큰 규모의 실험 장치인 거대강입자가속기의 목표는 신(神)의 입자로 알려진 힉스 입자, 우주에 숨겨진 암흑물질, 그리고 초대칭 입자의 전모를 파악하는 것이다.
운이 좋다면 아무도 상상하지 못했던 물질이 나올 수도 있다. 우주의 비밀을 풀어 줄 단초가 제공되는 것이다. 하지만 일부에서 주장하는 것처럼 거대강입자가속기는 사람을 죽일 만큼 위험하지 않다. 지금도 초신성에서 나오는 양자는 거대강입자가속기가 쏜 양자를 능가하는 속도와 양으로 지구에 날아와 꽂히고 있다.
양자(陽子)는 불변의 물질이다. 최초의 양자는 빅뱅(big bang)이 일어난 지 0.00001초 후의 혼란 속에서 모든 존재들이 태양계 크기의 우주 속으로 빨려 들어가는 과정에서 탄생했다. 나머지 양자들은 그 이후 생겨났다.
대부분의 양자는 138억년이 지나는 동안 변하지 않고 그대로 있다. 물론 전자와 결합해 수소를 만든 양자도 있고, 별 속으로 녹아들어가 더 무거운 원소를 만들기도 했지만 그것들 모두 변하지 않고 양자 상태로 남아 있다. 그들은 앞으로도 수십 억 년 동안 변하지 않을 것이다.
하지만 지금 스위스 마을 메이린 지하 100m에 있는 수소탱크 속의 양자들은 얘기가 다르다. 제네바 공항에서 북쪽으로 수km 거리에 있는 이 마을 지하에 있는 양자들에게는 충돌실험이라는 괴로운 일(?)이 기다리고 있다.
이 기사가 나갈 시점이면 강력한 자기장이 수소탱크 안에 있는 양자에서 전자를 떼어놓기 시작할 것이다. 전파가 양자를 밀어서 다른 것들과 분리시키고 대전시킨 후 가속시켜 거대강입자가속기(LHC)의 튜브 속으로 쏘아 보낼 것이다.
거대강입자가속기에 있는 튜브의 목적은 단 하나 뿐이다. 양자에 엄청난 에너지를 주어 아인슈타인이 제시한 초월 불가능한 우주 속도 c에 가깝게 쏘아 보내는 것이다. 양자는 그 후 실리콘과 니오브, 그리고 티타늄제 초전도 코일로 이루어진 검출기 한 가운데서 다른 양자와 정면충돌하게 된다.
이처럼 엄청난 속도로 달리는 양자가 다른 양자와 충돌하게 되면 이 양자는 뮤입자, 중성미자, 광양자 등 다른 물질로 변하게 된다.
하지만 그것들은 사람들의 관심밖에 있는 것이다. 사람들이 원하는 것은 1조번 충돌시켜서 한 번 나올까말까 한, 사람들이 이제껏 보지 못한 새로운 물질이다. 고속으로 달리는 열차 수준의 강한 에너지를 가진 양자로 물리학의 가설에 접근하면 뭐라도 얻는 것이 있을 것이라는 얘기다.
양자와 양자가 부딪치면 무엇이 될지에 대해서는 여러 의견이 있다. 이미 알려진 모든 것들을 설명해주는 우주의 표준모델을 신봉하는 사람들은 힉스 입자라는 잃어버린 입자가 될 것이라고 주장한다. 힉스 입자란 현재 인류가 알고 있는 모든 물질의 질량을 결정해 주는 가상의 물질로 일명 신(神)의 입자라고 불린다.
하지만 이 양자가 암흑물질로 변할 수도 있다. 암흑물질이란 천문학자들이 수십 년간 관찰해 온, 질량은 있되 기원과 성분을 알 수 없는 우주의 물질이다.
또는 변형된 양자가 이도저도 아닌, 사람들의 예상을 뛰어넘는 뭔가로 변할 수도 있다. 어쩌면 이것이야말로 모두가 원하는 답일지도 모른다. 양자는 사람들에게 예측할 수도, 상상할 수도 없는 불가해한 세계를 보여줄 것이다. 너무나도 작은 양자가 사람들을 놀라게 할 것이다.
■ 거대강입자가속기 속으로
거대강입자가속기를 건설한 유럽입자물리연구소(CERN)의 입자물리학자 스티브 골드파브는 파퓰러사이언스 기자인 마이클 모이어와 그 일행을 안내하는 역할을 맡았다. 그는 “어제 망막 센서를 켜 놓았는데 잘 작동해 줬으면 좋겠다”며 보안용 잠금장치로 걸어 들어갔다.
그의 등 뒤에서 공중전화 부스의 문처럼 생긴 녹색 문이 닫혔다. 벽에 달려있는 망막 스캐너는 그의 안구 뒤편에 있는 혈관 모양을 살펴본 다음 데이터베이스에 있는 기록과 대조해 출입을 허용했다.
이 시스템은 모든 인원을 추적하고, 누가 거대강입자가속기의 터널 안에 들어가 있는지 통제소에 알려준다. 앞으로 한 달 사이에 이 터널 속으로 들어가는 사람은 거의 없을 것이다. 대신 양자 빔이 이곳을 통과할 것이다.
모이어와 일행은 티셔츠와 지저분한 작업복 바지 차림의 땅딸막한 직원들과 함께 엘리베이터를 기다렸다. 직원들은 모이어가 가진 기자용 수첩과 외부 방문객임을 나타내는 빨간색 안전모를 보고는 폴란드어와 프랑스어로 무언가 중얼거렸다.
엘리베이터가 도착하자 지하 1층 버튼을 눌렀다. 그들은 검출기인 아틀라스로 가는 중이다. 콘크리트 복도로 나가자 쇠를 두드리는 망치 소리가 귀를 때리고 실내에 메아리쳤다.
이곳은 노트르담 대성당의 실내와 자주 비교되곤 한다. 하지만 고딕풍의 교회 건물보다는 스타트랙에 나오는 우주선 엔터프라이즈호의 페이저 통제실에 더 가깝다. 실리콘과 강철로 된 높이 24m, 무게 6,800 파운드인 거대한 밀대 모양의 검출기가 이 곳 한가운데에 있다. 언제든지 충돌할 준비가 된 것 같았다.
앞으로 한 달 내에 액체헬륨이 자석을 절대영도보다 2℃ 높은 온도(영하 271℃)로 냉각시킬 것이다. 그러면 광속에 근접한 속도로 발사되는 양자 빔이 검출기 한 가운데로 들어온다.
이곳에서 8km 떨어진 프랑스 영토 내에도 이만한 크기의 검출기인 CMS가 있다. 두 곳에 있는 연구팀은 상대방의 작업 상태를 매일 점검하면서 누가 먼저 뭔가를 발견하는지를 놓고 선의의 경쟁을 벌이고 있다.
양자 빔이 충돌하면 극히 미세한 공간 안에 모든 속도 에너지를 몰아넣게 된다. 그로 인해 생긴 순수한 에너지의 덩어리는 뭔가 완전히 다른 것을 만들어내는 것이다.
네덜란드 유트레히트 대학의 물리학 교수이자 노벨상 수상자인 마르티누스 벨트만은 “아인슈타인의 공식 E=mc²에 따르면 속도를 감안하지 않을 경우 에너지와 질량은 본질적으로 같은 존재”라고 말한다. 즉 에너지가 곧 질량이라는 것.
양자를 엄청난 속도로 쏘아 보내 충돌시키는 이유도 여기에 있다. 충돌을 통해 에너지를 극대화할수록 질량이 무거운 입자를 만들어낼 수 있는 것. 이렇게 거대강입자가속기는 에테르(ether)보다 더 무거운 입자를 생성해낼 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이 무거운 입자는 기존에 없던 전혀 새로운 것으로서 학자들에게는 정말로 흥미로운 존재가 된다.
■ 반 정도는 밝혀진 암흑
사람들은 우주가 무엇으로 만들어졌는지에 대해 다음과 같은 것을 알고 있다. 우선 양자나 전자 같은 평범한 물질들이 있다. 그 외에도 광자나 무거운 물건을 서로 들러붙게 만드는 중력 등 힘(force)을 전달하는 물질이 있다.
우주는 물질과 힘으로 이루어져 있으며, 지난 60년간 물리학자들은 물질 입자와 힘 입자가 어떻게 상호 작용하는지를 연구해왔다. 그 결과 입자물리학의 표준모델이라는 것이 탄생했다. 입자물리학의 표준모델이란 바로 우리의 우주가 빅뱅으로 태어났다는 것이다.
어떤 입자물리학자라도 이 이론이 인류사상 가장 훌륭한 이론이며, 물리학 실험결과를 1조 분의 1도 틀리지 않고 정확히 예측할 수 있을 만큼 뛰어나다고 극찬하고 있다.
물론 표준모델이 확실하기는 하지만 그렇다고 해서 모든 것을 다 설명해주는 것은 아니다. 입자물리학자들이 표준모델을 구축하느라고 여념이 없는 동안 천문학자들과 우주론자들은 거대한 우주의 상세를 밝히는 일에 매달렸다. 그 결과 그들은 우주와 지구에는 물리학자들이 상상도 할 수 없는 존재가 있다는 명백한 증거를 밝혀냈다. 하지만 그것이 무엇인지는 아무도 모른다.
만약 우주에 있는 모든 별과 은하, 초신성 등의 수를 셀 수만 있다면 우주의 질량을 추산할 수 있다. 하지만 은하의 회전 속도를 보거나 여러 은하가 충돌하는 모습을 관찰해서 우주의 질량을 알려고 한다면 우주의 질량은 우리가 관찰할 수 있는 수준 이상으로 무겁다는 것을 알 것이다.
최근의 계산에 의하면 우주의 실제 질량은 인간이 관찰한 것의 5배에 달한다고 한다. 하지만 관찰할 수 없는 물질이기 때문에 암흑물질이라고 부른다.
여기서 문제가 생긴다. 표준모델로는 암흑물질 입자를 설명할 수가 없다. 그리고 표준모델을 주장하는 사람들도 표준모델이 완벽하다고 여기지 않게 됐다. 표준모델로 2004년 노벨상을 수상한 데이비드 그로스는 “이 이론은 수많은 문제를 야기했다”면서 “그 결과 우리는 표준모델이 여러 모로 불완전하다는 것을 인정했다”고 말했다.
확실히 표준모델은 실험결과를 완벽하게 예측해주기는 하지만 물리학자들이 알고 싶어 하는 더 깊은 진실에는 도달하지 못한다. 표준모델이 완벽하게 적용되려면 엄청난 미세조정을 거쳐야 한다. 다시 말해 물리학자들이 엄청나게 많은 미세한 변수를 조정해야 제대로 결과가 나온다는 것이다.
물리학자들의 이야기로는 모든 것이 자연스럽게 균형을 맞추어야 더욱 좋다고 한다. 페르미 국립가속기연구소의 댄 후퍼는 그의 신간 ‘자연의 설계도’에서 “우리가 아는 표준모델은 결국 불안정하다”면서 “이 모델의 문제를 해결할 새로운 메커니즘이 필요하다”는 결론을 내렸다. 그 메커니즘은 초대칭성 이론이라는 것이다. 초대칭
성 이론의 경우 모든 입자는 숨겨진 쌍둥이 입자를 가지고 있다고 가정한다.
앞서 우주를 물질과 힘으로 구분할 수 있다고 말했는데, 초대칭성의 핵심 이론에 의하면 모든 물질 입자는 두 개의 힘 전달 입자를 가지고 있다. 또한 모든 힘 전달 입자는 두 개의 물질 입자를 가지고 있다. 물질과 힘은 결국 동전의 양면처럼 같은 것의 다른 얼굴일 뿐이라는 것이다.
이 이론을 어떻게 증명할 수 있을까. 전자의 초대칭 입자는 셀렉트론이며, 광자의 초대칭 입자는 포티노다. 이 입자들은 짝 입자보다 무겁기 때문에 표준모델의 균형을 잡아준다. 미세조정 같은 것은 필요가 없다. 하지만 더 중요한 사실은 이 같은 입자들이 이제까지 암흑물질이라고 알려져 온 것일 수 있다는 것이다.
우주는 초대칭 쿼크, 위노, 뉴트랄리노 등으로 가득하며 이 같은 초대칭 입자들은 일반 물질의 다섯 배나 더 무겁다. 여기서 우주론이 입자물리학과 만나는 것이다. 물론 이 가설이 말이 되려면 거대강입자가속기가 초대칭 입자를 찾아내야만 한다.
하지만 여기서 또 문제가 발생한다. 거대강입자가속기가 초대칭 입자를 찾아내는데 성공하더라도 초대칭 입자를 볼 수 있는 방법은 없다.
초대칭 입자는 검출기와 지구 지각을 뚫고 우주로 날아가 버릴 것이다. 눈에 보이지 않는다는 것은 초대칭 입자가 평범한 물질과는 어울리지 않는다는 것을 의미한다. 그리고 검출기는 모두 평범한 물질로 이루어져 있다.
그럼 대체 어떻게 해야 한단 말인가. 어떻게 이것을 검출할 수 있을까. 아주 자세히 관찰하는 수밖에 없다. 두 개의 양자가 부딪치면 엄청난 수의 입자가 뿜어져 나오는데, 그 중 대부분은 평범한 입자들이다. 그리고 검출기는 그것들을 모두 쓸어 담는다.
그렇게 하고 나면 과학자들은 그 입자 중에서 빠진 것들을 찾는 것이다. CERN의 이론가인 존 엘리스는 “마치 가장 중요한 단서가 짖지 않는 개였다는 것을 알아낸 셜록 홈즈 이야기와 비슷하다”고 말한다.
만약 많은 물질이 한 방향으로 간다면 그 반대방향으로 가는 그만한 양의 다른 물질이 있어야 한다. 그것이 바로 운동량 보존의 법칙이다. 현재 가지고 있는 것을 측정한 다음 처음 시작했을 때 갖고 있었던 것을 빼면 어렴풋하게나마 암흑물질을, 또는
암흑물질이 없다는 것을 발견할 수 있을 것이다.
■ 잡동사니 데이터 처리
아틀라스가 있는 곳으로 들어오자 스티브 골드파브는 지면으로부터 15m 높이의 작업대 위에 서서 방금 충돌해서 나온 입자의 궤도를 추적하는 시늉을 냈다.
물리학자이자 이곳의 견학 안내를 맡고 있는 그는 “이렇게 거대한 검출기를 건설하는 것은 매우 정확한 선을 긋는 것과도 같다”고 말했다. 그가 그린 선은 실내를 가로질러 포물선을 그리고 있었다.
아틀라스와 CMS가 만들어내는 자기장은 너무나도 강력하다. CMS를 구경시켜 준 MIT 대학원생 필 해리스의 말에 따르면 버스까지도 끌어당겨 벽에 충돌시켜 버릴 정도다. 이런 거대 프로젝트에서 대학원생은 그야말로 만능 해결사, 즉 잡부에 가깝다.
해리스의 친구인 MIT 대학원생 피터 에버래츠의 말에 의하면 자신들의 주 임무는 검출기 안에 들어가서 배선 연결이 잘못되었음을 알리는 경고등 점멸 여부를 살피는 것이라고 한다. 해리스는 수개월에 걸쳐 기계 안팎으로 데이터를 전달하는 수천가닥의 전선을 정리하고 라벨 작업을 했다고 한다.
버스까지 끌어들여 충돌시키는 자기장이라는 말은 어감부터 무시하지 못할 엄청난 느낌이 든다. 하지만 초전도 코일은 그러려고 만든 것이 아니다. 그보다는 그 속을 통과하는 모든 물체의 진로를 휘게 하려고 만든 것이다.
두 양자가 충돌했을 때 나오는 수많은 입자에는 검출기 안의 전선과는 달리 라벨 같은 것이 달려있지는 않다. 해리스와 에버래츠, 그리고 CMS에서 일하는 2,000명의 과학자들은 그 입자 하나하나가 무엇인지 밝혀내야 한다.
자기장이 대전된 입자의 방향을 바꾸기 때문에 각 입자가 얼마나 휘어 날아가는지, 그 속도는 얼마인지, 전하와 질량은 어떻게 되는지를 추론할 수 있다. 해리스는 이렇게 말한다. “우리는 모든 것을 다 알고 싶습니다. 어디에 있는지, 운동량은 어떤지, 얼마나 많은 에너지를 가지고 있는지 말이지요.”
그리고 1초에 6억 번이나 양자가 충돌할 때마다 생기는 수많은 입자에 대해 모두 이 같은 작업을 해야 한다. 때문에 이 엄청난 데이터를 저장할 공간이 부족해진다. 해리스는 “우리가 하루에 만드는 데이터는 전 세계 인터넷 상에 있는 모든 자료의 양과 비슷하다”고 말한다.
해리스의 헬멧은 머리 뒤로 제껴져 있었고, 바지는 허리 아래 15~20cm 지점에 걸쳐져 있었다. 에버래츠는 눈알을 굴리더니 해리스의 호언장담에 딴지를 걸었다. “하긴 그렇지. 하지만 인터넷 자료의 양은 엄청난 속도로 늘어나고 있어.”
거대강입자가속기 같은 엄청난 규모의 공학 프로젝트에서 10여 년간 토해내는 자료를 보존하는 것은 결코 만만한 일이 아니다. 마치 하루에 구글을 하나씩 설립하는 것 같다고나 할까. 거대강입자가속기 컴퓨팅 그리드의 책임자인 이안 버드는 CERN에서도 여기에 필요한 컴퓨터 설비를 모두 제공해 줄 수 없다고 말한다.
그래서 과학자들은 잉여 데이터의 양을 줄이는 방법을 모색했다. 보는 관점에 따라서는 그렇지 않을 수도 있겠지만 다행스럽게도 거대강입자가속기에서 수집한 대부분의 데이터들은 별 쓸모가 없다. 이미 발견된 입자들이고 충분히 연구한 현상이기 때문이다. 따라서 검출기의 전자장비는 그다지 새로운 내용이 아닐 경우 충돌 자체를 무시해 버린다. 전자장비가 걸러내는 데이터는 원 데이터의 99.99997%다. 때문에 1초에 6억 번 생기는 충돌 중 선별된 단 200개만이 컴퓨터가 선반에 빼곡히 쌓여 있는 중앙컴퓨팅센터로 보내진다.
거대강입자가속기 같은 엄청난 규모의 공학 프로젝트에서 10여 년간 토해낸 자료를 보존하는 것은 결코 만만한 일이 아니다. 마치 하루에 구글을 하나씩 설립하는 것 같다고나 할까.
이 중앙컴퓨팅센터를 ‘티어(Tier) 0’이라고 부른다. 여기에서 카피한 데이터를 전용 광섬유선을 통해 전 세계 11개소에 산재한 컴퓨팅센터(티어 1)로 보낸다. 이 전용 광섬유선 중에는 유명한 ‘인터넷2’도 있다.
인터넷2는 진보된 네트워크 기술과 차세대 인터넷 창조를 가속화하기 위해 미국의 대학과 정부, 기업이 결성한 컨소시엄이다. 현재 180개가 넘는 대학과 유수의 정보통신 기업이 참여하고 있다. 아직 상용화는 되지 않았지만 과학자들이 사용하고 있는 것.
티어 1의 컴퓨터들은 데이터를 조정한 후 수백 군데에 달하는 티어 2 컴퓨팅센터로 보낸다. 티어 2란 캠브리지나 버클리, 오사카 대학 등 전 세계 대학마다 있는 개별 서버 팜이다. 티어 2를 구성하고 있는 컴퓨터는 총 10만대에 달한다.
의외의 발견을 해낼 수 있는 것은 바로 티어 2 단계에서다. 프랑스 시골 지하에서 일어난 양자 충돌은 이런 분산형 시스템을 통해 전 세계 1만 명의 석학에게 배포, 연구된다. 이 같은 컴퓨터 시스템 자체도 자석이나 실리콘으로 이루어진 거대강입자가속기 만큼이나 불가능을 가능하게 만드는 뛰어난 체계인 것이다.
■ 우주를 아는 것도 힘
과학의 역사는 어떻게 보면 자만의 역사다. 인간은 자연계를 너무나 잘 헤아릴 수 있다고 생각한다. 인간이 만든 이론도 너무나 훌륭하다고 생각한다. 그리고 누군가가 아주 작은 실험에 성공하면 그 것으로 측량할 수 없는 우주를 알아냈다고 생각한다.
어떤 과학자도 거대강입자가속기로 미지의 세계를 접하는 것에 주저하지 않는다. 표준모델이 이제껏 우주를 설명하는 수많은 답을 제시했음에도 불구하고 어느 과학자도 그 모델이 우주를 설명하는 완벽한 이론이라고 생각하지 않는다.
물리학자들은 사람의 손이 미치는 너머에도 다른 것이 있을 것이라고 생각한다. 존 엘리스는 “우리의 실험을 통해 이전과는 뭔가 다른 것을 찾을 수 있을 것이라고 생각한다”고 말한다.
캘리포니아 버클리 대학의 우주론자이며 2006년도 노벨 물리학상을 수상한 조지 스무트는 “누구나 우리 인간이 어디에서 왔고 어떻게 세상에 적응했는지를 알고 싶어 한다고 생각한다”며 “하지만 일부 사람들은 그 의문에 답하려면 얼마나 많은 노력이 드는지 모른다”고 말한다.
거대강입자가속기 건설에 14년의 시간과 100억 달러의 돈, 그리고 1만 명의 사람들이 투입됐다. 이것은 우리가 어디에서 왔고 어떻게 세상에 적응했는지를 알기 위한 인간의 강한 호기심을 보여주는 잣대일지도 모른다.
초대칭 이론의 옮고 그름, 암흑물질의 발견 여부가 뭐 그렇게 중요하냐고 반박할 수도 있다. 하지만 우주에 대해서도 아는 것이 힘이다. 노벨상 수상자 게라르두스 후프트는 “물리학 법칙을 알면 무엇이 되고 무엇이 안 되는지를 알 수 있다”며 “심지어 미래까지 보여 준다”고 말한다.
▲ (왼쪽)천문학자들은 암흑물질(파란색)이 먼 은하 수백만 개의 빛을 왜곡시키는 방식을 추적해 암흑물질의 위치를 알아낼 수 있다. (오른쪽)거대강입자가속기는 우리가 어디에서 왔고, 어떻게 세상에 적응했는지를 알기 위한 호기심의 결과일지 모른다.
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