입자가속기 [粒子加速器, particle accelerator]

요약

▲ 캘리포니아대학의 60인치 입자가속기

전자나 양성자 같은 하전입자를 강력한 전기장이나 자기장 속에서 가속시켜 큰 운동에너지를 발생시키는 장치이다. 원자핵이나 소립자와 같이 작은 입자의 내부구조를 연구하기 위한 기계로, 구동하는 데에 매우 큰 에너지를 필요로 하는 거대과학 영역에 속한다.

본문

▲ 입자가속기의 지능적분류

원자핵이나 소립자(素粒子)에 관한 물질의 심층 구조를 탐구하는 물리실험에 사용되며, 암치료에 응용하는 방법도 연구되고 있다. 원자핵파괴장치·이온가속기·선형가속기 등으로 부르며, 간단히 가속기·가속장치라고도 한다. 입자검출용 안개상자(cloud chamber), 기포상자(bubble chamber), 방전상자(spark chamber)와 실험정보처리용 컴퓨터 등은 중요한 가속기의 부대시설들이다.

많은 건설비와 가동경비 및 연구비가 소요되므로 오늘날 가속기과학은 우주과학(宇宙科學)과 더불어 거대과학(big science)의 하나이다. 1932년 영국의 J.D.코크로프트와 E.T.S.월턴이 콘덴서와 정류관을 교묘하게 조합한 고전압 발생장치를 만들어 인공적으로 양성자를 600keV로 가속시켜 리튬(Li)에 조사(照射)하여 리튬 원자핵을 두 개의 헬륨(He) 원자핵으로 변환시킨 것이, 가속기를 이용한 원자핵실험의 시발이 되었다.

에너지의 단위로서는 전자볼트(electron volt:eV)를 사용한다. 1000eV=1keV=103eV ⇒ kilo(1천) 1000keV=1MeV=106eV ⇒ Mega(1백만) 1000MeV=1GeV=109eV ⇒ Giga(10억) 1000GeV=1TeV=1012eV ⇒ Tera(1조) 그 후 여러 가지 종류의 가속장치가 고안되어 입자의 가속 능력은 높아져, 1940년대에는 100MeV 이하의 수준으로, 1950년대에는 1GeV 수준으로, 1960년대에는 수십 GeV 수준으로, 1970∼1980년대에는 50GeV 이상에서 TeV 수준에 와 있다.

세계 최대 입자가속기 `지구 삼킬 위험 있다`

10일 가동될 예정인 세계 최대 입자가속기가 "세상의 멸망을 초래할 수도 있다"며 과학자들이 가동 중지를 촉구하는 소송을 제기했다고 영국 일간 데일리 메일이 1일 보도했다.

과학자들은 이 실험이 유럽인권협약에서 규정한 생명에 대한 권리를 위반한다며 영국을 포함해 이 프로젝트를 지원하는 20개국을 상대로 유럽인권재판소에 제소했다.

스위스 유럽가속기연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)는 우주 탄생의 순간인 빅뱅의 신비를 풀기 위해 44억 파운드를 들여 스위스 제네바 근처 지하에 건설한 세계 최대 과학실험장치이다. 둘레가 27㎞나 되는 이 입자가속기는 두 개의 입자 빔을 광속에 가까운 속도로 충돌시켜 우주 탄생의 이론적 기원인 빅뱅 직후의 상황을 재현하는 실험을 진행한다.

그러나 소송을 제기한 과학자들은 이 거대강입자가속기가 입자 파편들을 초고속으로 충돌시키고, 섭씨 1조도가 넘는 온도를 조성함으로써 지구를 파괴할 수 있는 미니 블랙홀을 만들 수 있다고 말하고 있다. 거대강입자가속기가 미니 블랙홀을 만들어내고 이 블랙홀이 4년 안에 지구를 완전히 삼킬만한 크기로 팽창할 수 있다고 과학자들은 우려하고 있다.

소송을 제기한 과학자들 중 한 명인 독일 에버하르트 칼스 대학의 화학자 오토 로슬러 교수는 "CERN도 입자가 충돌할 때 미니 블랙홀이 생길 수 있다는 것을 인정했으나 그들은 이게 위험하다고 생각하지 않고 있다"고 말했다.

로슬러 교수는 "내 계산으로는 미니 블랙홀들이 살아남아 기하급수적인 속도로 팽창하면서 지구를 내부로부터 삼켜버릴 가능성이 매우 크다"며 자신의 계산이 오류라는 것을 입증할 안전성 회의를 열어야 한다고 CERN에 촉구했다.

그러나 유럽인권재판소는 가동 중지령에 대한 요청을 일단 기각했으며, 가속기 실험이 생명권을 위반하는지에 대해 판결을 내릴 예정이다. http://news.joins.com/article/3282316.html?ctg=1300 런던=연합뉴스 2008.09.01 19:57 입력

최대 실험 장치 '강입자 가속기' 10일 제네바에서 가동

이 기계가 작동하면 인류가 멸망한다?, "블랙홀 생겨 지구 삼킨다" 주장 제기…, 과학자들 "근거 없는 추측에 불과해, 물리학 전제 '힉스' 찾는 게 더 큰 문제"

오는 10일 스위스 제네바에 있는 유럽물리연구소(CERN)에서 인류 최대의 과학 실험장치인 '거대 강(强)입자 가속기(LHC·Large Hardron Collider)'가 가동을 시작한다. LHC는 우주 탄생 당시를 재현해 물질 생성의 비밀을 밝혀줄 것으로 기대되고 있다.

하지만 일부에서는 인류의 재앙이 될 것이라는 우려도 나오고 있다. LHC에서 우주 탄생 당시를 재현하는 과정에서 블랙홀이 생겨나 지구를 순식간에 빨아들일 수 있다는 것. 물리학계에서는 이에 대해 "블랙홀에도 수명이 있다는 사실을 모르는 과학적 무지"라고 반박하고 있다.

◆ 인공 블랙홀은 순식간에 사라져

지난 3월 미국의 전직 교사인 월터 와그너(Wagner) 등 6명은 "블랙홀이 생겨날 우려가 있다"며 안전성이 확인될 때까지 LHC 가동을 막아줄 것을 요구하는 소송을 하와이 연방 지방법원에 제기했다. 동영상 사이트 유튜브에는 지구가 LHC가 만든 블랙홀 속으로 사라져 버리는 내용의 컴퓨터 그래픽 동영상이 인기를 끌고 있다.

블랙홀은 태양의 2배 이상 되는 천체가 점 하나로 쪼그라든 상태다. 엄청난 질량이 한 점에 모여 있어 만유인력에 따라 주변의 물질을 모두 끌어당긴다. 심지어 빛마저도 빨려든다.

LHC에선 실제로 블랙홀이 만들어질 수 있다. 블랙홀은 태양이 한 점으로 쪼그라들 듯 아주 좁은 곳에 에너지가 집중될 때 생성된다. LHC가 가동하는 순간 에너지가 어떤 한 영역에 집중되면서 블랙홀이 생성될 수 있는 것이다.

하지만 서울대 물리천문학부 김수봉(49) 교수는 "아주 까다로운 조건이 순간적으로 모두 만족됐을 때 LHC에서 블랙홀이 생성될 수는 있겠지만, 생성 직후 즉각 사라져 인류에 피해를 입히는 일은 없을 것"이라고 말했다.

블랙홀은 모든 물체를 빨아들이는 한편, 엄청난 복사 에너지를 빛의 형태로 내뿜는다. 이때 블랙홀이 내뿜는 에너지가 높을수록 블랙홀의 수명은 그만큼 짧아지게 된다. LHC에서 형성될 수 있는 블랙홀은 온도가 1억의 1억배인 1경(京)도로 엄청난 고온이다. 서울대 물리천문학부의 박성찬(37) 박사는 "LHC에서 블랙홀이 만들어져도 수명은 1/1027초의 찰나"라며 "LHC의 블랙홀이 주위 입자를 끌어당길 정도가 되려면 수명이 1/109초는 되어야 하는 만큼 일각의 우려는 지나치게 과장된 것"이라고 말했다.

◀ 인류 최대의 과학실험장치 LHC에서 양성자들을 빛의 속도에 근접할 정도로 가속시켜 정면충돌시킨다. 이때 에너지 밀도가 높아지면서 블랙홀이 발생할 수 있다. 사진 속의 사람 크기로 LHC의 규모를 가늠할 수 있다. / 스위스 CERN 제공

◆ 힉스 입자 못 찾으면 더 큰 재앙

LHC의 블랙홀이 지구의 첫 블랙홀도 아니다. 김수봉 교수는 "지구로 진입한 수도 없는 우주입자들이 대기의 입자들과 부딪혀 블랙홀이 순간적으로 생성되지만 우리에게 아무런 문제를 일으키지 않았다"며 "LHC의 블랙홀이 생성된다 해도 우리에게 위험하지 않다는 증거"라고 말했다.

오히려 물리학계는 다른 점을 염려한다. LHC 때문에 현대물리학을 처음부터 새로 쓰는 일이 발생할 수 있다는 것. LHC는 '힉스(Higgs)'라는 가상의 입자가 존재하는지 확인하는 임무를 수행하게 된다. 지금까지 과학자들이 밝혀낸 모든 소립자들은 힉스 입자가 있다는 것을 전제로 하고 있다. 만일 힉스 입자가 없는 것으로 판명되면 지난 100년간 이룩한 현대물리학에 치명적 결함이 발생하는 것이다. 전문가들은 LHC 가동 후 3년 정도 지나면 힉스 입자의 존재 여부가 판가름날 것으로 예측한다.

http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2008/09/01/2008090101561.html 조호진 기자 superstory@chosun.com 입력 : 2008.09.02 03:37

http://www.lhcdefense.org

http://video.naver.com/2008080813314678201

http://100.naver.com/100.nhn?docid=130948

http://www.tagstory.com/video/video_post.aspx?media_id=V000224743&feed=NV

우리 은하 블랙홀 강력 증거 발견

우리 은하 한복판에 있는 고밀도 거대질량의 물체가 블랙홀일 것이라는 천문학 가설을 뒷받침하는 가장 강력한 증거가 발견됐다고 스페이스 닷컴이 최신 연구를 인용 보도했다.

학자들은 얼마 전부터 우리 은하 중심부에 숨어있는 거대한 물체가 블랙홀일 것으로 추측해 오긴 했지만 아직까지 이를 입증하진 못했다.

미국 매사추세츠 공대(MIT) 연구진은 천문학 사상 가장 강력한 버추얼 망원경을 제작해 블랙홀과 외부세계의 경계선인 이른바 ‘사건의 지평선’ 부근에서 태양 질량 400만개 급의 블랙홀 존재를 시사하는 궁수자리 A* 전파광원을 발견했다고 네이처지 최신호에 발표했다.

사건의 지평선은 빛을 포함, 어떤 물질도 빠져나오지 못하는 영역을 가리킨다.

연구진은 블랙홀을 관찰하려면 은하를 통해서 봐야 한다는 문제를 해결하기 위해 우리 은하 주변을 둘러싼 가스와 먼지 안개층을 효과적으로 피해 갈 수 있는 1.3㎜ 전파 광선 버추얼 망원경을 제작했다.

하와이와 애리조나, 캘리포니아의 전파망원경들을 연결하는 방법으로 만들어진 이 버추얼 망원경은 지름 4천500㎞의 단일 망원경과 맞먹는 효과를 내는데 이는 달 표면의 야구공을 지구에서 볼 수 있을 만큼 강력한 것이다.

이렇게 발견된 궁수자리 A* 광원은 지름이 지구-태양 간 거리의 3분의1인 약 5천만㎞에 달하는 것으로 추정됐는데 블랙홀로서는 작은 편인 이런 규모는 우리 은하 중심부의 질량 밀도가 종전 측정치보다 더욱 높다는 사실을 시사하는 것이며 이는 숨어있는 물질이 블랙홀일 수밖에 없다는 것을 의미하는 것이다.

현재까지 이처럼 작은 공간에 이렇게 큰 질량이 집중돼 있는 현상을 설명하는 것은 블랙홀 외에는 없기 때문이다.

연구진은 궁수자리 A* 에서 오는 밝은 빛이 어떤 과정으로 생긴 것인지 밝혀내진 못했지만 블랙홀 주변의 자기장에 의해 가속화된 입자 제트류이거나 블랙홀로 빨려 들어가는 물질들로 이루어진 강착원반에서 흘러나오는 것으로 추정하고 있다.

연구진은 이번에 사용된 것과 같은 기법으로 망원경 네트워크를 확장해 궁수자리 A*가 초거대질량 블랙홀임을 최종적으로 입증하는 것이 목표라고 밝혔다. 연합뉴스 http://news.chosun.com/site/data/html_dir/2008/09/04/2008090400309.html 입력 : 2008.09.04 09:33

우주탄생 비밀 '빅뱅' 지구서 첫 실험

유럽입자물리연구소 세계 최대 입자가속기 10일 첫 가동, 건설비 8조원… 최고 수천 배 남는 장사될 듯

세계 과학계의 눈과 귀가 10일 스위스 제네바로 집중된다. 우주대폭발을 뜻하는 '빅뱅'을 재현하기 위한 거대강입자가속기(LHCㆍLarge Hadron Collider)가 14년간의 공사 끝에 10일 가동을 시작한다.

이날 유럽입자물리연구소(CERN)는 빅뱅을 재현할 양성자 빔을 가속기에 주입시켜 양성자 간의 충돌을 일으킨다.

물리학계의 최대 숙제이자 우주 탄생과 물질 구성의 비밀을 풀어줄 것으로 기대되는 '힉스입자' '초대칭입자' '암흑물질' 등의 존재 검증에 온 인류가 함께 나서는 순간이다.

◀ 스위스 제네바와 프랑스의 국경 산악지대 인근 유럽입자물리연구소에 있는 거대강입자가속기의 검출기. 섭씨 영하 270도로 유지되며 신(神)의 입자로 불리는 힉스의 흔적을 찾아내 존재 여부를 실증하기 위한 장치다. ＜매경DB＞

◆ 80개국 과학자 9000명 참여

LHC는 스위스 제네바와 프랑스의 국경 산악지대에 있다. 둘레만 27㎞에 달하지만 수 ㎞ 간격으로 통풍시설 전자제어시설 냉각시설 등 시설동이 보일 뿐 거대한 원형가속기의 모습은 겉으로는 전혀 보이지 않는다. 가속기가 지하 깊숙이 묻혀 있기 때문이다. 지상의 잡음과 환경에 대한 영향을 최소화하고 실험에 대한 외부변수를 차단하기 위해 가속기는 지하 100ｍ에 터널을 뚫어 건설했다. 전체 길이가 27㎞에 이르는 원형이다.

처음 기획이 이루어진 1994년 이후 건설비로만 80억 달러(약 8조원)가 투입됐다. 참여하는 과학자도 80개국 9000여 명에 달한다. 한국 과학자 60여 명도 이 프로젝트에 직접 참여한다. LHC의 핵심시설은 역시 양성자 간 충돌이 발생하는 충돌기다. 총 6개의 관측기가 지하에 있는 LHC의 교차점에 설치돼 있고 그중 '아틀라스(ATLAS)'와 'CMS'가 가장 많이 쓰이게 될 대형 관측 장치다. 하지만 빛의 99.99% 속도로 양성자를 가속해 충돌을 만들어내는 장치를 구성하는 것은 간단치 않다.

CERN은 LHC를 '우주에서 가장 추운 곳'으로 홍보한다. 양성자를 약 27㎞ 둘레의 원형궤도에 잡아 두려면 엄청나게 강력한 자기장이 필요하고 이런 자기장을 얻으려면 영하 271도에서 작동하는 초전도자석이 필요하다.

실제로 충돌기 터널에는 양성자 빔을 운반하는 2개의 파이프가 들어 있고 다시 각 파이프는 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석으로 둘러싸여 있다.

2개의 파이프에서 나온 양성자 빔은 서로 터널의 정반대 방향으로 향하고 여러 개의 추가 자석들은 빔이 4개의 교차점으로 가도록 조정한다. 이 교차점에서 충돌이 일어나면서 입자들 사이의 상호작용이 발생하게 되는 것.

양성자는 원자의 핵 속에 들어 있는 입자로 전자현미경으로도 보이지 않을 정도로 아주 작다. 과학자들은 양성자를 입자가속기에 넣은 뒤 가속기 터널을 1만 바퀴 가량 돌리면서 이 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속한다. LHC 가동이 계속되면서 각종 기기가 안정되면 가속기 안에서는 양성자끼리 1초에 6억 번 정도의 충돌이 일어난다. 그 충돌 순간의 온도는 태양 중심 온도의 약 10배에 달할 정도다.

올 3월 미국에서는 'LHC 안에서 충돌이 발생하는 과정에서 미니 블랙홀이 생기고, 이 블랙홀이 지구를 파괴할 것'이라는 주장을 담은 이색 소송이 제기된 적이 있다. 이는 양성자가 충돌할 때 아주 작은 공간에 여러 입자가 갇혀 밀도가 엄청나게 높아지는 현상을 우려한 때문이다.

하지만 과학자들은 이런 걱정은 기우에 불과하다고 일축한다. 미니 블랙홀은 수명이 너무 짧아 주위 물체를 집어삼키기도 전에 사라진다는 것. 이미 지구에는 지난 수십억 연간 LHC 내부보다 훨씬 강력한 에너지를 가진 우주 입자가 지구로 떨어졌고 미니 블랙홀도 수없이 생겼지만 아무런 사고도 없었다는 설명이다.

◆ '힉스입자' 존재 규명이 관건

LHC 가동의 가장 큰 목표는 '힉스입자'의 발견이다. 도대체 힉스입자가 무엇이기에 전 세계 과학계는 발견을 고대하는 것일까?

힉스입자는 간단히 말해 입자의 질량을 결정하는 입자다. 물질 구성의 기본 단위인 원자는 원자핵과 전자로 구성돼 있고, 원자핵 내부에는 양성자와 중성자가 공존하며, 양성자와 중성자는 '쿼크'라는 입자로 구성돼 있다. 힉스입자는 바로 이 입자의 최소 단위인 쿼크부터 그 질량을 결정해 주는 입자다.

현재 물리학계에서 기정사실처럼 받아들여지고 있는 '입자의 표준모형'에 의하면 세상에는 기본입자 12개와 힘을 전달하는 매개입자 4개, 그리고 힉스입자 등 17개의 입자가 존재한다.

하지만 문제는 표준모형의 기본입자와 매개입자 16개는 실존이 입증된 데 비해 힉스입자의 경우 전혀 존재 여부를 확인하지 못했다는 점이다. 힉스입자가 존재해야 표준모형 자체가 성립되는 만큼 물리학계에서는 힉스입자의 발견이 넘어야 할 마지막 산으로 남아 있는 상태다.

물리학자들은 힉스입자가 우주 태초의 빅뱅 순간에 잠시 존재했다가 지금은 완전히 사라져 버렸다고 설명한다.

이번에 힉스입자의 존재를 밝히는 과정에 입자가속기라는 특수한 장비가 필요한 것도 이 때문이다. 물리학자들은 입자가속기 내부에서 양성자들이 서로 충돌하는 과정에서 힉스입자가 극히 짧은 순간에 그 모습을 나타낼 것이라고 기대하고 있다.

우주의 대부분을 구성하는 '암흑물질'을 규명하기 위한 연구도 LHC 가동의 주요 목적이다. 과학자들은 별 은하계 퀘이사 블랙홀 등 우리가 알고 있는 우주의 모든 물질 외에 정체불명의 암흑에너지가 전체 우주질량의 73%를 차지하고 있다고 본다. LHC는 이 암흑에너지를 규명하는 데 많은 단초를 제공할 것이라는 게 입자물리학과 천체물리학을 전공하는 과학자들의 기대다.

이 밖에 이론상으로 존재하는 4차원 이상 10차원까지의 미세한 영역에 대한 연구도 관심사항이다. 물리학자들은 우리가 살고 있는 물리세계의 공간이 정말 3차원인지를 오래전부터 의심해 왔다.

물질을 구성하는 입자론과 작용하는 힘과의 관계를 모순 없이 설명하려면 기존에 알려진 4차원보다 차원이 6개나 7개 더 있을 때 내부의 모순이 없어진다는 것.

박성찬 서울대 물리학과 박사는 "LHC는 어떤 장치보다 더 정밀하게 더 작은 영역에서 일어나는 물리학을 탐구할 수 있도록 돕기 때문에 미세한 세계에 존재하는 여분 차원의 방향으로 움직이는 입자의 모습이 드러날 가능성도 있다"고 설명했다.

◀ 유럽입자물리연구소(CERN) 내부 모습. 지하 터널에 묻혀 있는 거대강입자가속기(LHC)는 무려 27㎞에 달하며 수 ㎞ 간격으로 통풍 전자제어 냉각 등 각종 시스템 설비가 갖춰져 있다.

◆ 거대강입자가속기는?

8조원이라는 엄청난 돈을 들여 만든 LHC는 정말 인류에게 수지가 맞는 장사가 될까? 과학자들의 대답은 '그렇다'이다.

기초과학과 물리학이 그동안 인류에 기여한 것을 살펴보면 LHC를 이용한 연구는 수백 배, 수천 배 남는 장사가 될 가능성이 크기 때문이다.

과학자들이 중력이나 관성의 법칙을 밝혀냈기 때문에 인류는 현재 우주기술을 확보할 수 있게 됐다. 우주기술이나 행성탐사는 돈이 막대하게 드는 일이지만 점점 인류의 생존을 책임지는 핵심 기술이 되고 있다. 전자기 발견과 이에 대한 후속 연구도 좋은 예다. 기초연구를 바탕으로 한 전기전자기술, 통신기술 등의 응용기술이 사회 경제 문화 모든 부분에 적용되면서 인류의 삶과 사고방식은 혁명적으로 바뀌었다. 특히 아무도 관심을 갖지 않던 미시세계에 대한 연구는 '원자력'이라는 엄청난 도구를 인류의 손에 쥐어 줬다. 불과 100여 년 전인 1903년 영국의 화학자 소디는 원자 속에 '엄청난 에너지가 포함돼 있다'는 당시로서는 황당한 주장을 폈다. 이후 영국의 러더포드 채드윅 등의 물리학자와 독일의 한, 오스트리아의 마이트너 등 과학자들의 연구결과가 이어지면서 원자력은 인류의 차세대 에너지로 자리 잡을 준비를 마쳤다. 실제로 소디의 주장 이후 불과 50년 뒤에 세계 최초의 원자력발전소가 러시아에서 가동되면서 인류의 삶을 바꾸기 시작했다.

미세공간에 대한 연구가 훗날 시공간에 대한 혁명적인 응용기술이나 혁명적인 에너지기술 탄생에 공헌하게 될지 아무도 예측할 수 없는 일이다. 매일경제 김은표 기자 / 김제관 기자 http://news.mk.co.kr/newsRead.php?sc=40000008&cm=_오늘의%20화제&year=2008&no=553784&selFlag=&relatedcode=&wonNo=&sID= 2008.09.09 04:05:08 입력, 최종수정 2008.09.09 07:37:18