[과학카페] 양성자 충돌실험 성공… 우주탄생 비밀 풀릴까

유럽입자 물리 연구소

최근 유럽 입자물리연구소(CERN)가 세계 최대 규모 강입자가속기(Large Hadron Collider · LHC)에서 양성자 충돌 실험을 성공시키면서 우주 탄생 시점인 '빅뱅(우주 대폭발)'에 대한 비밀이 풀릴지 관심이다.

스위스 제네바 소재 CERN은 지난 30일 약 27㎞ 길이의 LHC 터널에서 양성자를 각각 3.5TeV(테라전자볼트)의 에너지로 충돌시키는 실험을 성공적으로 마쳤다. 총 7Tev의 힘은 그동안 최고 기록이었던 미국 시카고 페르미연구소 입자가속기의 2Tev보다 3.5배나 높은 것이다. 빅뱅 당시 상황을 가장 정확하게 구현할 것으로 기대되는 양성자 충돌 에너지 14Tev의 절반 수준이다.

입자가속기 충돌이 빅뱅의 비밀을 풀 수 있다고 생각하는 이유는 가속기 내부에서 양성자가 충돌하면서 튀어나오는 소립자들이 빅뱅 당시와 유사하다고 보기 때문이다.

수백억 년 전 모든 물질을 응축하고 있었던 작은 점이 대폭발하면서 안에 있던 물질들이 튀어나오며 계속 팽창해 현재의 우주를 구성했다는 것이 빅뱅이론이다. 빅뱅이론은 여러 검증을 거쳐 현재 물리학계에 정설로 받아들여지고 있다.

한편 인간이 여태까지 발견해 낸 물질의 가장 작은 단위는 소립자(원자를 최소단위까지 쪼갠 것으로 쿼크 · 중성미자 · 전자 등 12종류가 알려짐)다. 그러나 소립자는 상태가 불안정하고 즉시 다른 입자와 결합하려고 해 소멸되기 쉽다. 따라서 이런 소립자의 움직임을 포착하고 데이터로 기록하기 위해 입자가속기가 필요하다. 수백억 년 전 빅뱅 당시 응축된 점이 폭발할 때 튀어나온 소립자 양상을 가속기 안에서 유추할 수 있다는 것이다.

가속기 연구는 가상의 소립자이며 모든 입자에 질량을 부여하는 것으로 알려진 힉스 입자(higgs boson)를 규명하려는 목적도 있다. 힉스 입자는 영국의 물리학자 피터 힉스의 이름을 딴 '궁극의 소립자'다.

김수봉 서울대 물리천문학부 교수는 "입자물리학이 완성되려면 힉스 입자를 규명해야 하는데 입자가속기 연구는 이와도 관련이 있다"며 "향후 2~3년 내 가속기 연구에 대한 다양한 해석이 나올 것"이라고 말했다.

이해성 기자 ihs@hankyung.com