반물질이란???

[가가멜]

반물질 [反物質, antimatter]

보통의 물질을 구성하는 소립자(양성자 ·중성자 ·전자 등)의 반입자(반양성자 ·반중성자 ·양전자 등)로 구성되는 가상적인 물질.

실험실 안에서는 반중성자와 반양성자로 합성된 원자량 2의 반수소원자핵, 즉 반중양성자(反重陽性子)의 존재가 확인된 바 있다. 그러나 대개는 원자와 그 반원자를 접근시켜 상호작용을 하게 하면 원자가 소멸해서π중간자 등 소립자가 되고, 이들 입자는 극히 짧은 시간안에 다시 γ선이나 중성미자(中性微子)로 바뀌어 순식간에 날아가 버린다(광속도에 가까운 운동을 한다). 그러므로 확인 가능한 안정된 상태의 반물질이 주변 세계에는 존재하지 않지만, 보통의 물질과 격리된 먼 세계에는 안정된 상태의 반물질이 존재할 가능성이 없지 않다. 이런 의미에서 반물질이 지배적으로 존재하는 영역, 이른바 반우주의 존재에 관한 여러 가지 추측이 있다. 천지창조 당시 물질과 반물질이 짝지어 창조되었기 때문에 반우주도 존재할 것이라는 설도 있다.

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반입자와 반물질

잃어버린 짝'을 찾아서

과학동아 1996년 6월

제원호/서울대물리학과 교수

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디랙이 처음 예견했던 반입자가 1932년 처음 발견된 이후 반입자와 반물질(反物質, antimatter)에 대한 관심이 계속 커져 왔다. 반입자들로만 이뤄진 반물질의 세계는 가능한지, 또 현재까지 반물질들을 만들기 위한 연구는 어디까지 진행됐는지 알아본다.

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우리가 살고 있는 우주와 지구, 그리고 그 안에 존재하는 생물을 포함한 모든 사물들은 다 물질로 구성돼 있다. 또 그 물질은 양성자, 중성자, 전자 등의 입자들로 구성돼 있다. 가장 간단한 물질인 수소원자는 양성자 1개와 전자 1개가 전자기력에 의해 결합돼 있다. 물론 더 복잡한 원자나 분자, 생체 등의 물질은 더 많은 입자들로 구성돼 있다.

20세기 초 기존의 물리학 개념을 뛰어 넘는 양자이론이 형성됐다. 이 과정에서 영국의 물리학자 디랙은 1928년 수소원자의 상대론적 양자이론을 발표했는데, 그 이론은 당시 실험 결과들과 잘 일치했다. 그러나 그의 이론에 따르면 전자에 대한 반입자가 존재해야 한다는 것이 문제였다. 이 반입자는 전자와 질량은 같지만 전하가 반대인 성질을 가져야 했다. 당시 그러한 입자는 알려지지 않아 그의 이론은 많은 저명한 학자들로부터 거부당했다.

그런데 놀랍게도 1932년 미국의 앤더슨박사는 우주에서 날라오는 입자 중에 이러한 성질을 가진 입자가 존재함을 발견했다. 이는 현재 반전자 또는 양전자(positron)라고 불리는 전자의 반입자다. 곧 학자들은 양성자나 중성자 등의 모든 입자에도 마찬가지로 각각의 반입자가 존재할 것이라고 추측했다. 그리고 1956년 양성자의 반입자인 반양성자가 버클리대학의 가속기에서 발견됐다.

그후 반입자와 이러한 반입자들로 구성된 반물질에 대한 관심이 높아져 많은 이론적인 연구가 시작됐다. “반우주, 반지구, 반수소원자가 존재할 수 있을까”와 같은 호기심에서부터 “과연 반물질은 일반적인 물질들과 똑같은 물리법칙을 따를까” 등의 심각한 의문이 생기게 됐다.
더욱이 반물질은 우주의 생성 과정과 밀접히 관련돼 있어 현재도 활발하게 연구되고 있다. 예를 들면 우주가 생성된 초기에는 물질과 반물질의 양이 같았다. 그런데 우리가 현재 살고 있는 우주에서는 왜 반물질을 찾을 수 없을까. 또 물질과 반물질은 지구의 중력장 내에서 자유낙하시켰을 때 같은 속도로 떨어질까.

이러한 의문에 대한 해답은 과연 어떤 과정으로 반입자들이 입자들로 변환돼 현재의 상태에 이르렀고, 또 그 배후에는 어떤 ‘새로운’ 힘이 작용하는 것일까에 대한 단서를 제공할 것이다. 그래서 반물질에 대한 연구는 매우 중요하며 앞으로 해결돼야 할 하나의 성배(Holy Grail)로 남아 있다.

서울대와 하버드대 공동 연구

입자(물질)와 반입자(반물질)에 관한 성질은 반양성자가 발견된 이듬해인 1957년 뤼더스박사가 처음으로 발표한 ‘CPT 불변성’이라는 대칭성에 함축돼 있다. CPT 불변성이란 전하, 패리티, 시간에 관한 것으로 물리학에서 가장 기본적인 대칭성 중의 하나다.

만일 CPT 불변성이 사실이라면 입자와 그에 대한 반입자는 서로 동일한 질량과 수명, 크기를 가지지만, 서로 반대 부호의 자기쌍극자를 가져야 한다는 예측에 도달하게 된다. 현재 이 CPT 불변성에 바탕을 둔 양자장론이 지극히 성공적이라는 사실 때문에 거의 모든 물리학자들은 이 불변성을 자연의 깨지지 않는 대칭성이라고 믿고 있다.

그러나 이 CPT 불변성이 완전히 검증된 것은 아니다. 현재까지 CPT 불변성의 정확한 실험적 검증들은 미미한 실정이다. 그 주된 이유는 반입자(반물질)들을 우리의 일상생활에서 얻을 수 없고, 거대한 고에너지입자가속기에서만 체계적으로 생성할 수 있기 때문이다. 더욱이 반입자의 수명은 수억분의 1초로 매우 짧다. 반입자(반물질) 자체는 안정하지만 공기 중의 다른 입자와 충돌하면 곧바로 소멸되기 때문에 그 성질을 연구하려면 매우 낮은 진공상태를 만들어야 하는 어려움이 있다.

그러나 기초과학의 발전과 함께 이뤄진 기술의 발달로 이러한 난관들은 계속 해결되고 있다. 지금까지 유일하게 발견되지 않았던 톱쿼크를 최근에 발견하는 개가를 올린 미국의 페르미연구소는 양성자와 반양성자가 충돌하는 가속기를 가동하고 있다. 그리고 스위스의 유럽핵물리연구소(CERN)는 전자와 양전자를 충돌시키는 가속기를 가동 중이다.

최근 스위스에 있는 유럽핵물리연구소는 서울대와 하버드대의 공동연구 결과로 양성자와 반양성자의 관성성질(질량)이 10억분의 1의 측정오차 내에서 서로 동일하다는 것을 발표했다. 아직은 그 대칭성이 유효하다는 것을 의미하는데, 앞으로 더 정밀한 실험이 요구되고 있다.

한걸음 나아가 실험실에서 인위적으로 반물질을 생성하려는 시도도 하고 있다. 반양성자 1개와 양전자 1개를 결합시키면 반수소원자가 만들어진다. 이것은 가장 간단한 반물질이다. 이를 이용해 물질과 반물질 사이의 대칭성 연구를 추진할 계획이다. 이들에 대한 연구는 앞에서 언급한 여러 의문들에 대한 실험적 근거를 제공할 수 있으리라고 기대된다.

그리고 만일 수소와 반수소 사이에 서로 다른 성질이 있음을 발견할 경우 현재의 물리학 기초를 뒤흔들어 놓을 계기가 될 것이다. 비록 가능성은 적지만 만일 그런 일이 생긴다면 전혀 새로운 물리학이 등장해야 할지 모를 일이다.

원자보다 작은 입자 어떻게 보나
17세기 말 네덜란드인 레벤후크가 광학현미경을 만든 이후 현미경은 계속 발전돼 원자를 볼 수 있는 단계에 이르렀다. 원자를 볼 수 있는 현미경은 주사형터널링전자현미경(STM)이라고 하는데, 원자의 크기(1Å)보다 수백배나 작은 물질을 볼 수 있다. 그러나 원자의 내부를 볼 수는 없다. 원자의 내부를 보려면 어떻게 해야 하나.

그 원리는 이렇게 출발한다. 광학현미경은 물체로부터 반사된 빛(광자)을 본다. 파장이 작은 광자를 충돌시킬수록 더욱 작은 물체를 볼 수 있다. 이러한 원리를 확대하면 파장이 매우 작은 물질(모든 물질은 빛처럼 파장의 성질을 지님)로 보고자 하는 물체에 충돌시켜야 한다. 그런데 파장의 크기는 에너지와 반비례 관계에 있다. 결국 원자 내부를 보려면 원자보다 작은 파장을 지닌 물질로 원자 내부물질과 충돌시켜야 한다. 에너지가 더욱 커지면 더욱 작은 물질을 볼 수 있다. 이것을 응용한 것이 가속기다.

가속기에는 두 종류가 있다. 하나는 선형가속기이고, 다른 하나는 원형가속기인 싱크로트론이다. 선형가속기는 주로 전자를 가속시킬 때 사용한다. 선형가속기 중에서 전자를 5백억eV까지 가속시키는 가속기가 스탠퍼드연구소에 있는데, 세계에서 가장 크다.

싱크로트론은 양성자를 가속시킬 때 주로 사용한다. 미국 페르미국립가속기연구소에 있는 테바트론은 양성자를 9천억eV까지 가속시킬 수 있다. 또 2003년 완공을 목표로 하는 하드론충돌가속기(LHC)는 양성자를 7조eV까지 가속시킬 수 있으며, 링의 반지름만 해도 4km에 달한다.

가속기에 사용하는 전자, 양성자, 그리고 반입자들은 어떻게 얻어내는 것일까 궁금할 수 있다. 그러나 원리는 간단하다. 전자는 금속을 가열하면 방출된다. 이러한 원리를 이용한 것이 TV의 음극관이다. 그러고 보면 집집마다 가속기 하나씩을 가지고 있는 셈이다. 양성자는 수소를 이온화시키면 쉽게 얻을 수 있다. 반입자는 먼저 높은 에너지로 물체를 때리면 광자와 글루온 단계를 거쳐 입자와 반입자의 쌍이 만들어지는데, 자기장을 사용해 이를 분리한다.

입자물리의 영원한 라이벌

CERN과 페르미

과학동아 1998년 11월

박성근/고려대 물리학과 교수, 한국검출기연구소 소장

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물질은 얼마나 잘게 나눌수 있을까. 이를 연구하는 두 라이벌 연구소가 있다. 유럽입자 물리 연구소와 미국 페르미 국립가속기연구소가 바로 그곳이다. 이들이 밝혀낸 입자세계의 비밀은 무엇일까.

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1994년 4월 26일 미국 페르미국립가속기연구소(FermiLab)는 자연에 존재하는 마지막 소립자인 톱쿼크를 발견했다고 발표했다. 톱쿼크는 1988년 유럽입자물리연구소(CERN)가 5천6백억eV의 에너지를 가진 양성자-반양성자 충돌기를 이용했으나 탐색에 실패했던 것. 이를 비웃듯 페르미연구소에서는 1조8천억eV의 테바트론을 이용해 쿼크 가족의 막내를 찾아냈다. 원자핵은 강입자(하드론)라고 불리는 양성자와 중성자로 이뤄져 있다. 이들은 다시 쿼크로 구성돼 있다. 그동안 쿼크는 업(up)·다운(down)·참(cham)·스트렌지(strange)·바틈(bottom)·톱(top) 등 6개가 존재해야 한다고 알려졌다. 그러나 유독 톱쿼크만이 실험적으로 확인되지 않고 있었다. 그런데 바틈쿼크가 발견된지 17년 만에 톱쿼크가 페르미연구소에 의해 모습을 드러낸 것이다. 톱쿼크의 발견은 이듬해 3월 3일 페르미연구소의 CDF 연구그룹과 D0 연구그룹에 의해 최종 확인됐다.

톱쿼크의 발견이 기정사실화됐던 그해 9월 CERN에서는 반입자(양전자와 반양성자)를 이용해 9개의 반원자(반수소)를 합성하는데 처음 성공했다. 이는 우리가 살고 있는 세계와 전혀 다른 반물질 세계로의 길을 연 것이다. 또 우주의 생성과 구성에 대한 수수께끼를 풀 중요한 열쇠를 얻은 대사건이었다. 반원자의 합성 사실은 1996년 1월 4일에 공표됐다.

누가 봐도 미국의 페르미연구소와 유럽의 CERN은 세계 입자물리 연구를 선도하고 있는 양대산맥이다. 유럽국가들이 자존심을 걸고 만든 CERN과 이에 뒤질 수 없다고 생각해 미국이 세운 페르미연구소는 라이벌인가, 동반자인가. 또 두 연구소는 지금까지 어떤 연구결과를 내놓았을까.

반물질의 고향 CERN

CERN의 거대한 시설.

입자물리학은 물질을 구성하는 궁극적인 입자는 무엇이며, 어떤 성질을 지니고 있는지를 알아내는 학문이다. 이는 우주의 비밀을 알아내는 일이기도 하다. 만약 기본입자들을 알아낼 수 있다면 우주의 생성에 관한 비밀이 풀리기 때문이다.

빵을 쪼개면 빵가루가 되고, 이를 다시 쪼개면 녹말분자가 된다. 녹말분자를 쪼개면 탄소원자와 수소원자들이 튀어나오는데, 이 원자들은 원자핵과 전자로 이뤄져 있다. 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 이뤄져 있고, 이와 같이 계속 나눠가면 결국 쿼크와 같은 입자들의 세계가 등장한다. 이 세계를 연구하는 것이 입자물리학이다.

입자물리학은 1896년 프랑스 물리학자 베크렐이 우라늄에서 흘러나온 방사선을 발견하면서 시작됐다고 볼 수 있다. 방사선은 핵이 붕괴되면서 나오기 때문이다. 이후 전자(1897년), 원자핵(1911년), 양전자와 중성자(1932년), 우주입자인 뮤온(1937년)과 파이온(1947년)이 계속해서 발견됐다. 또 1948년에는 우주입자인 파이온을 실험실에서 만들어내는데 성공했다.

제2차 세계대전이 끝나자 세계는 국제협력에 대한 필요성을 절감하기 시작했다. 얼마전까지 서로 총을 겨누던 국가들은 평화를 위해 노력했고, 그 결과 유엔과 특별기구들이 생겨났다. 특히 국경과 국경이 오밀조밀하게 붙어있는 유럽국가들은 협력의 필요성을 더욱 크게 느꼈다. 그래서 유럽에서는 유럽경제협력기구가 만들어졌다.

그런데 유럽에는 또 다른 고민이 있었다. 유능한 많은 인력들이 전쟁으로 지친 유럽을 떠나 신대륙인 미국으로 이주해 가는 고급두뇌 고갈현상(brain drain)이 심하게 나타난 것이다. 1949년 노벨물리학상 수상자인 드브로이는 이를 안타깝게 여기고 유럽의 우수인력들이 미국으로 넘어가지 않도록 묶어둘 유럽과학연구소가 필요하다고 역설했다. 이듬해 그의 의견과 뜻을 같이하는 사람들이 유럽과학연구소 설립결의안을 만들어냈다. 그 결실은 1954년 관심 있는 12개국이 공동출자함으로써 맺어졌으며, 유럽입자물리연구소(CERN)가 마침내 스위스 제네바에 들어섰다.

CERN의 업적은 대단하다. 1957년 6억eV 양성자가속기를 이용해 파이온이 전자와 뉴트리노로 쪼개지는 현상을 최초로 관찰했고, 1981년에는 입자당 2천7백억eV의 에너지를 갖는 초양성자싱크로트론(SPS)을 이용해 최초로 양성자와 반양성자의 충돌실험을 시작했다. 그리고 1983년에는 약력(약한 상호작용)을 매개하는 W보존과 Z보존을 발견했다. 이 공로로 카를로 루비아와 반 데 미어는 다음해에 노벨물리학상을 받았다.

CERN의 직원은 약 2천8백명, 이중 2천명이 연구원들이다. CERN의 연간 예산은 약 10억 스위스프랑(1997년 기준 6천4백억원). 하지만 CERN이 엄청난 저력을 발휘하는 것은 세계 각국의 대학과 산업체에서 전자공학, 기계공학 등 최첨단 서비스를 제공하고 있기 때문이다. CERN이 자랑하는 가속기와 검출기는 이러한 국제적인 협력을 통해서 얻어졌다. 오늘날 인터넷의 대명사가 된 월드와이드웹(WWW)도 협력체제의 부산물이다.

사람들은 CERN을 세계 핵물리 및 입자물리학의 메카라고 부르고 있다. 매년 80여개 나라, 5백여개 대학, 6천5백명(세계입자물리학자의 절반)의 과학자들이 마치 성지를 순례하듯 CERN을 찾는 것을 보면 쉽게 수긍이 간다.

기본입자의 산실 페르미연구소
시카고 근처 바타비아 마을에는 미국이 자랑하는 페르미국립가속기연구소가 있다. 이곳에는 세계에서 가장 큰 에너지를 내는 테바트론(Tevatron)이란 가속기가 있다. 1994년 톱쿼크를 발견했던 바로 그 가속기다.

1963년 레온 레더맨은 과학자들이 자유롭게 이용할 수 있는 국립가속기연구소가 필요하다고 주장했다. 그의 아이디어를 받아들인 에너지부(DOE)는 1967년 2억4천3백50만달러를 들여 페르미연구소를 세웠다. 그런데 공교롭게도 같은 해에 옛소련이 모스크바 근교에 7백억eV로 가속할 수 있는 세계 최대의 양성자가속기를 세웠다.

1947년 미국 원자력위원회는 양성자를 가속할 수 있는 싱크로트론을 경쟁관계에 있던 버클리대와 브룩헤이븐국립연구소에 각각 세우도록 승인한 바 있었다. 1952년 브룩헤이븐은 미국 최초의 양성자가속기를 세웠는데, 그 성능은 30억eV였다. 이어 1954년 버클리가 세운 양성자가속기도 62억eV에 머물렀다. 그러나 1957년 옛소련이 두베나에 세운 양성자기속기는 1백억eV에 이르렀다. 이때의 수모가 1960년대 말 재현된 것이다.

강력한 미국을 상징할 강력한 가속기를 건설해야 한다는 목소리는 자연스럽게 페르미연구소를 강화시켰다. 페르미연구소는 1972년 2천억eV에 달하는 양성자가속기를 세웠지만 다루기가 힘들어 실험 성공률이 50% 밖에 되지 않았다. 1976년에야 양성자가속기는 5천억eV에 도달했다. 이듬해 페르미연구소는 다섯번째 쿼크인 바틈쿼크를 발견함으로써 세계를 깜짝 놀라게 했다.

지상 최대의 양성자 가속기인 테바트론은 1979년 1억2천만달러를 들여 만들었다. 테바트론은 양성자(반양성자)를 9천억eV까지 가속시킬 수 있는데, 만약 양성자와 반양성자를 서로 다른 방향에서 가속해 충돌시키면 그 중심에서는 1조8천억eV에 이른다. 테바트론은 1994년 마침내 금세기 마지막 숙제의 하나였던 톱쿼크를 발견해냈다.

현재 페르미연구소에는 약 1천5백명의 과학자들이 일하고 있으며, 20개국 80여개 연구소가 입자물리 연구에 함께 참여하고 있다. 1년 예산은 약 1천6백억원, 매년 가속기를 작동하는 전기료만도 1백60억원이라고 한다.

질량의 근원 힉스입자
21세기에 입자물리학이 풀어야 할 숙제 중에는 질량의 기원을 찾는 일이 있다. 그 숙제의 열쇠는 힉스(Higgs)라는 입자가 쥐고 있다. 기본입자들의 성질을 설명하는 표준모형에 따르면 힉스입자가 존재할 때에만 쿼크와 같은 기본입자들이 질량을 갖게 된다. 하지만 아직까지 힉스입자는 발견되지 않았다. 그래서 힉스입자를 발견하기 위해 미국과 유럽의 자존심을 건 한판 승부가 시작됐다.

미국은 1986년 20조eV에 달하는 초전도초가속기(SSC)를 건설하기 시작했다. 텍사스주에 들어설 이 가속기의 둘레는 자그만치 80km. 페르미연구소에서 약 1조eV의 테바트론을 건설한 경험을 가지고 있던 미국은 자신감이 넘쳤다. 그러나 1993년 10월 미국 의회는 이미 1조 6천억원이 들어간 초전도초가속기의 건설을 경제적인 이유 등을 들어 백지화해 버렸다.

졸지에 경쟁자를 잃어버린 CERN은 단독으로 힉스입자를 찾아나설 수밖에 없었다.
미국은 테바트론을 변형해 초전도초가속기를 만들 수가 없었기 때문에 돈이 많이 들어갔다. 테바트론 가속링의 둘레가 6km로 작았기 때문이다. 그런데 CERN에는 그동안 전자와 양전자를 가속시켜온 둘레가 27km인 거대전자-양전자가속기(LEP)가 있었다. 여기에다 전자를 대신해 양성자를 가속할 시설만 갖춘다면 쉽게 10조eV까지 가속시킬 가속기를 만들 수 있었다. 이것이 1989년부터 추진한 거대강입자가속기(LHC)다. 최첨단 초전도자석을 갖춘 LHC에 들어갈 예산은 약 25억 스위스프랑 (2조5천억원). 2005년에 완성되면 LHC는 본격적으로 힉스의 비밀을 파헤치게 된다.

그런데 거대강입자가속기만 있다고 모든 것이 해결되는 것은 아니다. 또한 최첨단 검출기가 필요하다. LHC에는 CMS와 ATLAS라는 두개의 실험그룹이 있는데, CMS에는 한국검출기연구소에서 개발한 전방저항판검출기도 쓰인다. 이것은 힉스입자의 발견에 결정적인 역할을 수행할 뮤온입자를 매우 짧은 시간 내에 정확하게 식별해낼 수 있는 검출기다. 또 한국검출기 연구소에서는 힉스를 순간적으로 식별할 수 있는 검출기도 열심히 개발하고 있다.

CERN의 스타과학자 샤르팍

조르주 샤르팍박사

선각자들의 역할은 모든 분야에서 절실히 필요하다. 특히 과학분야에서 선각자들의 역할은 CERN의 역사를 생각해보면 쉽게 그 중요성을 알 수 있다. CERN을 오늘날 세계적인 연구소로 만든 선각자 중에는 조르주 샤르팍을 꼽지 않을 수 없다.

1924년 폴란드에서 태어난 샤르팍은 1943년 나치정권에 대항해 레지스탕스 일원으로 투쟁하다가 체포돼 옥살이를 했던 특이한 경력의 소유자다. 그는 다중선비례검출기를 발명했는데, 이것은 입자의 궤적을 정밀하고 신속하게 측정할 수 있도록 안개상자, 거품상자, 핵건판과 같은 기존 검출기의 단점을 개선한 새로운 개념의 검출기였다. 샘 팅은 이 검출기를 이용해 참쿼크와 반참쿼크로 이뤄진 중간자인 제이/프사이((J/ψ) 입자를 발견해 1976년 노벨물리학상을 수상했다. 또 루비아 교수가 W와 Z 보존입자를 발견해 1986년 노벨물리학상을 수상하는데에도 크게 기여했다. 그는 이러한 공로로 1992년 노벨물리학상을 받았다.

검출기 분야의 대부인 샤르팍 교수는 지난 4월 한국을 방문한 바 있다. 그는 방한기간 중 한국물리학회 총회에서 강연하고, 한국검출기연구소 개소식에 참가했다. 고려대 인촌기념관에서는 일반인들을 대상으로 ‘검출기 연구에 바친 나의 일생’에 대한 주제로 강연했다. 샤르팍 교수는 앞으로 한국검출기연구소의 자문위원으로 힉스입자 발견에 크게 도움을 줄 예정이다.

샤르팍교수는 한국에 와서 이런 말을 남겼다. “과학자는 애국하는 사람이 되어야 한다. 당신이 만일 이 땅을 사랑하는 젊은이라면 이 땅의 앞날을 생각해서 열심히 노력해야 한다.”

질량의 기원은 밝혀질까
유럽입자물리연구소는 가장 작은 입자를 발견하기 위해 건설된 세계에서 제일 거대한 가속기가 지하 깊숙히 묻혀 있는 곳이다. 서울 여의도만한 이곳에 세계 각국에서 모인 7천여명의 과학자들이 시간을 잊고 몰두하는 것은 무엇일까. 그것은 2005년 완공을 목표로 추진 중인 거대강입자가속기(LHC) 프로젝트다.

1954년 설립된 CERN은 세계 최대 규모의 입자물리연구소로, 미국의 페르미연구소와 쌍벽을 이루는 유럽물리학의 자존심이다. 처음에는 유럽 12개국이 창립 멤버로 시작했지만, 현재의 회원국은 모두 19개국. 지금까지 이곳에서는 5명의 노벨상 수상자가 배출됐다. 한 연구소에서 이만한 성과를 거두기는 쉽지 않은 일이다.

지하요새의 전기자동차
이번 출장은 한국기자 1명을 CERN에서 초청함에 따라 이뤄졌다. 9월 10일 제네바공항 근처 프랑스 쪽에 잡은 숙소에서 출발, 스위스와 프랑스 접경지역에 자리잡은 CERN을 향하는 길에는 한가로운 전원풍경이 펼쳐지고 멀리 눈 덮인 알프스가 보였다. 이를 중심으로 병풍처럼 높은 산맥이 둘러쳐 있었는데, 쥐라산맥이라고 했다. 공룡의 시대였던 쥐라기의 바로 그 ’쥐라’였다. 생각해 보니 쥐라기는 이 산맥이 형성되던 시기와 같았다.

20여분쯤 달렸을까. 프랑스 국경을 넘어 스위스 쪽에 있는 CERN의 정문에 도착했다. CERN은 전체 면적의 5분의 1은 스위스에, 나머지는 프랑스에 위치해 있다. 그러다보니 공항에서 숙소로, 숙소에서 CERN을 찾아오는 길이 스위스 땅인지 프랑스 땅인지 처음 찾는 사람들에게는 어리둥절할 뿐이었다.

스위스는 수십개의 칸톤으로 이뤄진 연방국가다. 그런데 찾아간 날은 마침 제네바 칸톤의 휴일. 연구소 안은 워낙 넓기도 했지만 휴일이라 더욱 한산해 보였다. 띄엄띄엄 여기저기 낮은 건물들이 들어서 있고, 사람은 거의 찾아보기 힘들었다.

CERN 내부 안내는 영국 출신의 홍보담당자인 닐 칼더가 수고해 주었다. 그의 승용차를 타고 국경을 넘어 다시 프랑스쪽에 있는 ‘델피’에 도착했다. 델피는 CERN에 있는 네곳의 가속기 컨트롤센터 가운데 하나다. CERN이 현재 가동하고 있는 가속기는 둘레가 27km로 지구상에서 가장 큰 규모를 자랑한다. 하지만 모두 지하 깊숙이 묻혀있기 때문에 지상에서는 어느 곳을 가속기 터널이 지나고 있는지 가늠하기 어렵다.

CERN에서 새로 추진중인 거대강입자충돌가속기는 현재 운영중인 가속기 설비를 완전히 들어내고 그 자리에 새로운 설비로 건설된다. 가속기를 교체하는 이유는 에너지를 훨씬 높여 양성자를 더 빠른 속도로 돌리기 위한 것.

델피지역에 도착하자 칼더는 승용차를 탄 채로 무인 검색기에 신분증을 댔다. 그러자 문이 저절로 열렸다. 건물 안으로 들어가 지하 엘리베이터 앞에서 다시 한번 신분을 확인했다.

땅속으로 향하는 고속 엘리베이터를 타고 컨트롤센터 지하로 내려갔다. 얼마나 지났을까. 엘리베이터의 문이 열리는 순간 눈앞엔 4층 높이의 거대한 지하 시설물이 펼쳐졌다. 지금 서있는 곳은 지하 1백m 지점. 30층 이상 되는 건물의 꼭대기에서 1층까지 엘리베이터로 내려온 셈이다.

말 그대로 이곳은 거대한 ‘지하요새’였다. 사람 키의 몇배가 넘는 거대한 드럼통 모양의 시설물이 눈에 띄었다. 칼더는 “이곳은 가는 튜브를 타고 달려온 양성자들 사이에 서로 충돌이 이뤄지는 장소”라고 설명했다. 거의 빛의 속도로 달려온 양성자들은 이곳에서 매초 수억번씩 서로 충돌을 일으킨다. 수많은 충돌에서 생기는 에너지나 궤적에 대한 데이터는 자세한 분석을 위해 수천 가닥의 전송선을 타고 컨트롤센터로 보내진다.

지하요새에는 1인승 전기자동차도 여러대 눈에 띄었다. 터널을 통해 지하로 이동, 다음 컨트롤센터까지의 거리는 6km 이상. 걸어서 한시간 이상 걸리기 때문에 자동차가 필요할 법도 했다. 건물을 빠져 나오면서 문득 007영화의 촬영장소로 쓰면 좋겠다는 생각이 들었다. 닐 칼더는 “헐리웃에서도 간혹 연락이 온다”고 답했다. 그러나 아직까지 상업영화를 찍은 적은 없다고 한다.

물리학자와 결혼하지 말라

CERN의 소장인 크리스토퍼 스미스박사

다시 본부 건물로 돌아오는 차안에서 닐 칼더에게 “CERN에는 도대체 어떤 사람들이 살고 있느냐”고 물었더니,“물리학자와는 결혼하지 말라는 이야기가 있다”며 웃는다. 그만큼 괴팍하다는 뜻일까. 외부와 철저히 고립된 채 연구에만 몰두하는 모습이 그려졌다.

그러나 실제 모습은 그렇지 않았다. 국내의 연구소도 마찬가지지만 CERN의 분위기는 무척 자유로웠다. 자유로움에서 창의적인 발상이 나온다는 진리는 이역만리에서도 어김없이 적용됐다. 격식이라고는 거의 찾아보기 힘들었다. 양복 정장에 넥타이를 맨 사람은 연구소 전체에 단 두사람. 소장과 취재 때문에 찾아온 필자 뿐이었다.

‘작은 도시’처럼 연구소 안에는 여행사 레스토랑 우체국 은행 등 필요한 건 모두 있었다. 다만 각 건물들이 서로 멀리 떨어져 있어 차가 없으면 이동하기가 불편할 정도다.

CERN을 유명하게 한 것은 입자물리 연구만은 아니다. 오늘날 전세계인들이 정보여행을 즐기는 월드 와이드 웹(WWW) 기술이 여기서 나왔다. 월드 와이드 웹은 수천명 이상의 과학자가 있는 CERN 내부의 연구 성과를 서로 쉽게 교환하기 위해 만들어졌다. 물론 일부러 만든 것은 아니지만 CERN의 규모를 미뤄 짐작할 수 있는 대목이다. 월드 와이드 웹은 현재 인터넷과 같은 말로 쓰일 정도로 보편화됐지만, 아직도 CERN에서 만들어졌다는 사실을 아는 사람은 드물다.

월드 와이드 웹을 개발했던 반백(半白)의 마이크 샌달은 멀리 한국에서 기자가 온다는 소식을 듣고 한 뭉치의 서류를 준비했다. 카페테리아에서 한시간이 넘도록 인터넷의 미래에 대해 우리는 서로 이야기를 나눴다. 샌달은 인터넷에 지나친 상업성을 부여하지 말고 초창기의 순수함을 지켜줬으면 하는 바람을 말했다.

워낙 여러 국가의 사람들이 모여 있다보니 CERN에는 재미있는 일이 많이 생긴다고 한다. 우선 여가시간을 활용하기 위해 다양한 종류의 소모임이 만들어져 있다. 매주 발간되는 소식지에는 모임의 장소와 시간, 활동을 알리는 게시물이 빽빽하게 나와 있었다.

프랑스 월드컵 때도 그랬다. 연구에만 몰두하고 스포츠에는 전혀 관심이 없을 것같은 과학자들도 이때는 저마다 자신의 나라를 응원하느라 열심이었다. CMS 계획의 책임자인 미셀 니그라는 “연구소 내의 모든 모니터에서 축구를 중계했으며, 회의실마다 사람들이 모여 방송을 시청했을 정도”라고 당시를 회상했다.

미셀 니그라는 CERN에서 소장에 이어 두번째로 높은 위치에 있는 인물. 그러나 그의 차는 티코보다 작은 영국 로버사에서 만든 ‘미니’라는 승용차였다. ‘미스터 빈’이라는 코메디물에 등장하는 바로 그 차다. 언뜻 보기에도 출고된 지 20년은 넘어 보였다. 뒷자리에 타려면 요가를 하듯 몸을 구부려야 할 정도로 작았다. 연구소장급쯤 되면 일단 고급 승용차를 먼저 마련하는 우리나라의 모습이 떠올라 씁쓸했다.

한국인도 참여
CERN에 근무하는 7천여명 과학자들 가운데 자랑스런 한국인들이 몇명 끼어 있었다. 2005년 완성될 가속기에 핵심 부품으로 쓰일 검출기를 제작한 고려대 박성근교수팀이 바로 그들이다. 혹시 문제는 없을까. 이들은 검출기를 시험 가동하느라 교대로 24시간 눈을 떼지 않았다. 이들은 그토록 열정을 쏟고 있는 것은 무엇 때문일까. 그것은 바로 미지의 입자 ‘힉스’ 때문이었다.

일반인들은 상식적으로 모든 물질은 질량을 갖고 있다고 믿는다. 그러나 현대 물리학의 기본 모델을 전제로 물질을 쪼개 나가다보면 어느 순간 질량을 갖고 있지 않은 입자가 나온다. 이를 해결하기 위해 1964년 스코틀랜드의 물리학자 힉스는 질량을 부여해주는 미지의 입자가 있다는 가설을 세웠다. 그 입자는 그의 이름을 따 ‘힉스’라고 이름 붙여졌다. 힉스는 현대 물리학의 기본 모델을 완성하기 위해 반드시 찾아야하는 궁극적인 입자인 셈이다.

박교수는 “힉스는 매우 높은 에너지 상태에서 존재하기 때문에 일상에서 확인할 수 없다”며 “거대한 가속기를 이용해 양성자를 빠른 속도로 충돌시켜 태초의 환경을 재현하는 것이 힉스를 찾는 유일한 방법”이라고 설명했다.

가속기는 현대 입자물리학의 핵심장비로 태초의 ‘빅뱅’을 1백50억년만에 재현, 새로운 입자를 발견하는 역할을 한다. 1995년 미국 페르미연구소가 보유하고 있는 가속기 ‘테바트론’에서 여섯번째 쿼크인 ‘톱쿼크’가 확인된 것은 유명하다. 과연 CERN의 초대형 가속기가 물리학의 역사를 새로 쓸 수 있을까. 세계가 CERN을 주목하고 있는 이유는 여기에 있다.

유럽입자물리연구소(CERN)

질량의 기원은 밝혀질까

과학동아 1998년 11월

홍석민 / 동아일보 정보산업부 기자

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CERN은 세계최대의 입자물리연구소지만 국내에는 비교적 알려지지 않은 곳이다. 이곳에서 반원자가 만들어졌고, 인터넷이 탄생했다. 현지 취재를 통해 CERN을 소개한다.

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유럽입자물리연구소(CERN)는 ‘가장 작은’ 입자를 발견하기 위해 건설된 세계에서 ‘제일 거대한’ 가속기가 지하 깊숙히 묻혀 있는 곳이다. 서울 여의도만한 이곳에 세계 각국에서 모인 7천여명의 과학자들이 시간을 잊고 몰두하는 것은 무엇일까. 그것은 2005년 완공을 목표로 추진 중인 거대강입자가속기(LHC) 프로젝트다.

1954년 설립된 CERN은 세계 최대 규모의 입자물리연구소로, 미국의 페르미연구소와 쌍벽을 이루는 유럽물리학의 자존심이다. 처음에는 유럽 12개국이 창립 멤버로 시작했지만, 현재의 회원국은 모두 19개국. 지금까지 이곳에서는 5명의 노벨상 수상자가 배출됐다. 한 연구소에서 이만한 성과를 거두기는 쉽지 않은 일이다.

지하요새의 전기자동차

거대전자-양성자 가속기의 내부터널

이번 출장은 한국기자 1명을 CERN에서 초청함에 따라 이뤄졌다. 9월 10일 제네바공항 근처 프랑스 쪽에 잡은 숙소에서 출발, 스위스와 프랑스 접경지역에 자리잡은 CERN을 향하는 길에는 한가로운 전원풍경이 펼쳐지고 멀리 눈 덮인 알프스가 보였다. 이를 중심으로 병풍처럼 높은 산맥이 둘러쳐 있었는데, 쥐라산맥이라고 했다. 공룡의 시대였던 쥐라기의 바로 그 ’쥐라’였다. 생각해 보니 쥐라기는 이 산맥이 형성되던 시기와 같았다.

20여분쯤 달렸을까. 프랑스 국경을 넘어 스위스 쪽에 있는 CERN의 정문에 도착했다. CERN은 전체 면적의 5분의 1은 스위스에, 나머지는 프랑스에 위치해 있다. 그러다보니 공항에서 숙소로, 숙소에서 CERN을 찾아오는 길이 스위스 땅인지 프랑스 땅인지 처음 찾는 사람들에게는 어리둥절할 뿐이었다.

스위스는 수십개의 칸톤으로 이뤄진 연방국가다. 그런데 찾아간 날은 마침 제네바 칸톤의 휴일. 연구소 안은 워낙 넓기도 했지만 휴일이라 더욱 한산해 보였다. 띄엄띄엄 여기저기 낮은 건물들이 들어서 있고, 사람은 거의 찾아보기 힘들었다.

CERN 내부 안내는 영국 출신의 홍보담당자인 닐 칼더가 수고해 주었다. 그의 승용차를 타고 국경을 넘어 다시 프랑스쪽에 있는 ‘델피’에 도착했다. 델피는 CERN에 있는 네곳의 가속기 컨트롤센터 가운데 하나다. CERN이 현재 가동하고 있는 가속기는 둘레가 27km로 지구상에서 가장 큰 규모를 자랑한다. 하지만 모두 지하 깊숙이 묻혀있기 때문에 지상에서는 어느 곳을 가속기 터널이 지나고 있는지 가늠하기 어렵다.

CERN에서 새로 추진중인 거대강입자충돌가속기는 현재 운영중인 가속기 설비를 완전히 들어내고 그 자리에 새로운 설비로 건설된다. 가속기를 교체하는 이유는 에너지를 훨씬 높여 양성자를 더 빠른 속도로 돌리기 위한 것.

델피지역에 도착하자 칼더는 승용차를 탄 채로 무인 검색기에 신분증을 댔다. 그러자 문이 저절로 열렸다. 건물 안으로 들어가 지하 엘리베이터 앞에서 다시 한번 신분을 확인했다.

땅속으로 향하는 고속 엘리베이터를 타고 컨트롤센터 지하로 내려갔다. 얼마나 지났을까. 엘리베이터의 문이 열리는 순간 눈앞엔 4층 높이의 거대한 지하 시설물이 펼쳐졌다. 지금 서있는 곳은 지하 1백m 지점. 30층 이상 되는 건물의 꼭대기에서 1층까지 엘리베이터로 내려온 셈이다.

말 그대로 이곳은 거대한 ‘지하요새’였다. 사람 키의 몇배가 넘는 거대한 드럼통 모양의 시설물이 눈에 띄었다. 칼더는 “이곳은 가는 튜브를 타고 달려온 양성자들 사이에 서로 충돌이 이뤄지는 장소”라고 설명했다. 거의 빛의 속도로 달려온 양성자들은 이곳에서 매초 수억번씩 서로 충돌을 일으킨다. 수많은 충돌에서 생기는 에너지나 궤적에 대한 데이터는 자세한 분석을 위해 수천 가닥의 전송선을 타고 컨트롤센터로 보내진다.

지하요새에는 1인승 전기자동차도 여러대 눈에 띄었다. 터널을 통해 지하로 이동, 다음 컨트롤센터까지의 거리는 6km 이상. 걸어서 한시간 이상 걸리기 때문에 자동차가 필요할 법도 했다. 건물을 빠져 나오면서 문득 007영화의 촬영장소로 쓰면 좋겠다는 생각이 들었다. 닐 칼더는 “헐리웃에서도 간혹 연락이 온다”고 답했다. 그러나 아직까지 상업영화를 찍은 적은 없다고 한다.

물리학자와 결혼하지 말라
다시 본부 건물로 돌아오는 차안에서 닐 칼더에게 “CERN에는 도대체 어떤 사람들이 살고 있느냐”고 물었더니,“물리학자와는 결혼하지 말라는 이야기가 있다”며 웃는다. 그만큼 괴팍하다는 뜻일까. 외부와 철저히 고립된 채 연구에만 몰두하는 모습이 그려졌다.

그러나 실제 모습은 그렇지 않았다. 국내의 연구소도 마찬가지지만 CERN의 분위기는 무척 자유로웠다. 자유로움에서 창의적인 발상이 나온다는 진리는 이역만리에서도 어김없이 적용됐다. 격식이라고는 거의 찾아보기 힘들었다. 양복 정장에 넥타이를 맨 사람은 연구소 전체에 단 두사람. 소장과 취재 때문에 찾아온 필자 뿐이었다.

‘작은 도시’처럼 연구소 안에는 여행사 레스토랑 우체국 은행 등 필요한 건 모두 있었다. 다만 각 건물들이 서로 멀리 떨어져 있어 차가 없으면 이동하기가 불편할 정도다.

CERN을 유명하게 한 것은 입자물리 연구만은 아니다. 오늘날 전세계인들이 정보여행을 즐기는 월드 와이드 웹(WWW) 기술이 여기서 나왔다. 월드 와이드 웹은 수천명 이상의 과학자가 있는 CERN 내부의 연구 성과를 서로 쉽게 교환하기 위해 만들어졌다. 물론 일부러 만든 것은 아니지만 CERN의 규모를 미뤄 짐작할 수 있는 대목이다. 월드 와이드 웹은 현재 인터넷과 같은 말로 쓰일 정도로 보편화됐지만, 아직도 CERN에서 만들어졌다는 사실을 아는 사람은 드물다.

월드 와이드 웹을 개발했던 반백(半白)의 마이크 샌달은 멀리 한국에서 기자가 온다는 소식을 듣고 한 뭉치의 서류를 준비했다. 카페테리아에서 한시간이 넘도록 인터넷의 미래에 대해 우리는 서로 이야기를 나눴다. 샌달은 인터넷에 지나친 상업성을 부여하지 말고 초창기의 순수함을 지켜줬으면 하는 바람을 말했다.

워낙 여러 국가의 사람들이 모여 있다보니 CERN에는 재미있는 일이 많이 생긴다고 한다. 우선 여가시간을 활용하기 위해 다양한 종류의 소모임이 만들어져 있다. 매주 발간되는 소식지에는 모임의 장소와 시간, 활동을 알리는 게시물이 빽빽하게 나와 있었다.

프랑스 월드컵 때도 그랬다. 연구에만 몰두하고 스포츠에는 전혀 관심이 없을 것같은 과학자들도 이때는 저마다 자신의 나라를 응원하느라 열심이었다. CMS 계획의 책임자인 미셀 니그라는 “연구소 내의 모든 모니터에서 축구를 중계했으며, 회의실마다 사람들이 모여 방송을 시청했을 정도”라고 당시를 회상했다.

미셀 니그라는 CERN에서 소장에 이어 두번째로 높은 위치에 있는 인물. 그러나 그의 차는 티코보다 작은 영국 로버사에서 만든 ‘미니’라는 승용차였다. ‘미스터 빈’이라는 코메디물에 등장하는 바로 그 차다. 언뜻 보기에도 출고된 지 20년은 넘어 보였다. 뒷자리에 타려면 요가를 하듯 몸을 구부려야 할 정도로 작았다. 연구소장급쯤 되면 일단 고급 승용차를 먼저 마련하는 우리나라의 모습이 떠올라 씁쓸했다.

한국인도 참여

CERN의 LHC프로젝트에 참여해 검출기를 만들고 있는 한국검출기연구소의 연구원들

CERN에 근무하는 7천여명 과학자들 가운데 자랑스런 한국인들이 몇명 끼어 있었다. 2005년 완성될 가속기에 핵심 부품으로 쓰일 검출기를 제작한 고려대 박성근교수팀이 바로 그들이다. 혹시 문제는 없을까. 이들은 검출기를 시험 가동하느라 교대로 24시간 눈을 떼지 않았다. 이들은 그토록 열정을 쏟고 있는 것은 무엇 때문일까. 그것은 바로 미지의 입자 ‘힉스’ 때문이었다.

일반인들은 상식적으로 모든 물질은 질량을 갖고 있다고 믿는다. 그러나 현대 물리학의 기본 모델을 전제로 물질을 쪼개 나가다보면 어느 순간 질량을 갖고 있지 않은 입자가 나온다. 이를 해결하기 위해 1964년 스코틀랜드의 물리학자 힉스는 질량을 부여해주는 미지의 입자가 있다는 가설을 세웠다. 그 입자는 그의 이름을 따 ‘힉스’라고 이름 붙여졌다. 힉스는 현대 물리학의 기본 모델을 완성하기 위해 반드시 찾아야하는 궁극적인 입자인 셈이다.

박교수는 “힉스는 매우 높은 에너지 상태에서 존재하기 때문에 일상에서 확인할 수 없다”며 “거대한 가속기를 이용해 양성자를 빠른 속도로 충돌시켜 태초의 환경을 재현하는 것이 힉스를 찾는 유일한 방법”이라고 설명했다.

가속기는 현대 입자물리학의 핵심장비로 태초의 ‘빅뱅’을 1백50억년만에 재현, 새로운 입자를 발견하는 역할을 한다. 1995년 미국 페르미연구소가 보유하고 있는 가속기 ‘테바트론’에서 여섯번째 쿼크인 ‘톱쿼크’가 확인된 것은 유명하다. 과연 CERN의 초대형 가속기가 물리학의 역사를 새로 쓸 수 있을까. 세계가 CERN을 주목하고 있는 이유는 여기에 있다.