스크랩 9월10일 지상최대의 물리학 실험을 한답니다._이것 잘못되면 안되는데.

[태광]

거대강입자가속기(LHC·Large Hardron Collider) 9월10일실시

인류 최대의 실험장치가 다음 달 스위스 제네바에 소재한 유럽물리연구소(CERN)에서 14년 만에 완공된다. 거대강입자가속기(LHC·Large Hardron Collider)가 바로 그 주인공. 전 세계 1만 명이 넘는 물리학자들은 LHC를 통해 '신(神)의 입자(粒子)'라고 불리는 '힉스(higgs)' 입자의 존재를 규명하는 실험을 하게 된다. 힉스 입자는 그동안 물리학계가 양성자, 중성자 등 입자물리학에 등장하는 모든 소립자가 질량을 갖게 하는 근본 원인으로 가정해왔다. 원자(原子)보다 더 깊숙이 들어간 물질의 '근본 중의 근본'이라는 것이다. 이번 실험에서 힉스 입자를 찾아내면 현재의 입자물리학 이론은 입증이 되지만, 그렇지 않으면 입자물리학 이론을 처음부터 다시 시작해야 한다. 

총 10조원의 공사비가 들어간 인류 역사상 가장 크고 가장 복잡한 기계 LHC

◆지하 100m에서 빅뱅 재현

현대 물리학에 따르면 초기 우주는 폭발(빅뱅) 직후 엄청나게 뜨거웠다. 이때는 모든 입자들이 질량이 없는 상태였다. 이후 우주가 식어가면서 입자에 따라 여전히 질량이 없는 상태로 남기도 했고 질량을 얻기도 했다. 원자핵이나 전자를 이루는 근본 입자 12종은 질량이 생겼지만, 빛은 빅뱅 초기에나 지금이나 질량이 없는 상태로 남았다. 

영국 에든버러대의 힉스(Higgs) 교수는 우주가 식어가면서 각각의 입자에 질량을 전달해 준 또 다른 입자가 필요하다고 설명했다. 이후 이 입자를 힉스 교수의 이름을 따 힉스 입자라고 불렀다. 즉 힉스를 발견해야 우주 빅뱅부터 현재의 소립자 물리학까지 완벽하게 들어맞게 되는 것이다.

거대 강입자 가속기의 전체 전경(스위스와 프랑스에 걸쳐 있고, 실제로는 지하 100m 아래에 묻혀 있습니다.)

힉스를 찾아내려면 우주탄생 초기로 돌아가야 한다. CERN은 수조원을 들여 지하 100m 깊은 곳에 지름 8㎞의 원형 입자가속기 LHC를 건설했다. LHC는 두 개의 양성자를 강력한 전기장과 자석으로 가속시킨 뒤 빅뱅 당시와 비슷한 에너지로 서로 정면 충돌시키는 실험을 진행한다. 

이때 들어가는 에너지는 17 TeV(테라전자볼트·1TeV는 1조 전자볼트). 1.5볼트 소형 건전지 10조 개를 연결해야 얻을 수 있는 에너지다. 힉스 입자 검출 여부는 실험이 본격화되는 2010년경에 나올 것으로 보인다. 서울대 물리학부의 김선기 교수는 "힉스 입자를 찾지 못하면 물질을 설명하는 현대물리학의 표준모형은 뭔가를 잘못 해석했다는 뜻이 된다"며 "대폭 수정이 불가피해질 것"이라고 말했다.

광속에 가깝게 가속된 입자가 충돌했을때 발생하는 파편을 관측합니다.

◆엄청난 데이터 처리도 도전과제

LHC는 크기만큼이나 나오는 실험 데이터의 양도 어마어마하다. 경북대 물리학과 손동철(56) 교수는 "LHC에서는 초당 500조 바이트의 데이터가 쏟아진다"면서 "컴퓨터 저장 매체인 CD로 치면 초당 80만 장에 달하는 분량"이라고 말했다. 

물리학자들은 효과적인 데이터 처리를 위해 두 가지 방안을 고안했다. 첫 번째는 방대한 데이터 중에 의미 있는 데이터를 선별하는 작업이다. 이른바 '트리거 데이터 취득 시스템(Trigger Data Acquisition System)'이다. 데이터의 중요도를 판별해 데이터를 없애거나 압축을 해서 최대 10억분의 1 정도로 데이터의 크기를 줄인다.

그렇게 해도 연간 5 PB(페타바이트, 1PB는 1000조 바이트)의 데이터가 쏟아진다. 연간 CD 800만 장 분량이다. 데이터를 처리할 수퍼컴퓨터 구입 비용도 천문학적으로 증가할 수밖에 없다. 

CERN의 GRID 컴퓨터실

두 번째 해결 방안은 전 세계 컴퓨터 수만 대를 연결하는 '그리드(grid)' 네트워크다. 수퍼컴퓨터를 따로 구매하지 않고 전 세계에 흩어져 있는 수만 대의 컴퓨터를 초고속 전용인터넷 회선으로 연결해 같은 효과를 발휘하도록 한다는 것이다.

CERN은 전 세계에 흩어져 있는 컴퓨터를 네트워크로 묶어 활용해본 경험이 풍부하다. 현재 인터넷의 일반적인 방식이 된 월드와이드웹(world wide web)이 CERN에서 나왔다. LHC 연구를 돕기 위해 이미 미국·유럽·일본에 있는 연구소와 대학의 컴퓨터 수만 대가 연결됐다. 국내에서는 경북대 고에너지물리연구소에서 참여하고 있다.

LHC 관제 시스템실

LHC의 양성자가 광속에 가깝게 가속되는 구간입니다. 이런 파이프가 27km에 걸쳐 있습니다.

◆ LHC가 만들어낼 미니 블랙홀의 위험성은?

LHC가 빅뱅 직후 초기 우주를 재현할지도 관심사다. 빅뱅 이론에 따르면 우주 초기에는 물질과 반물질의 양이 비슷했다. 그런데 지금 우주에는 대부분 물질만 남았다. 반물질의 양은 물질의 100억분의 1 정도에 불과하다. 사라진 반물질을 찾는 일도 LHC의 숙제다. 

한편 LHC에서는 순간적으로 엄청난 에너지가 작은 공간에 모이기 때문에 ‘미니 블랙홀’이 만들어질 가능성이 있다. ‘미니 블랙홀’이 붕괴할 때 생기는 빛과 에너지에도 물리학자들의 관심이 쏠리고 있다. 

만에 하나 LHC가 파괴적인 블랙홀을 만들어 낼 경우 발생할 지구 파괴 시뮬레이션

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참고로 CERN측에서는 LHC에서 발생할 미니 블랙홀은 불과 수십억분의 1초에 생겼다가 사라지는 초미세 블랙홀이기 때문에 지구를 집어삼키거나 하는 황당한 일은 절대로 벌어지지 않는다고 밝히고 있습니다.

한국 연구진 60여 명 참여 

한국 과학자들도 이 ‘축제’의 일원이다. 지난해 4월 과학기술부(현 교육과학기술부)가 CERN과 협력협정을 맺은 뒤 국내 연구팀도 LHC 연구에 참여하고 있다. 

최영일 CMS사업단장(성균관대 물리학과 교수)을 대표로 고려대, 경북대, 서울시립대 등 13개 대학팀에서 60여명의 연구진이 CERN을 오가며 현재 연구를 진행 중이다. 

최 단장은 “한국 연구팀은 CMS 검출기 조립과 검출기에서 얻을 어마어마한 양의 데이터를 분석하는 일에 참여하고 있다”며 “이르면 3년 안에 국내에서도 우수한 논문이 나올 것”으로 기대했다.

LHC가 임무를 제대로 수행할 수 있을까. 분위기는 희망적이다. 지난 1월 미국의 과학잡지 ‘파퓰러사이언스’가 입자물리학자들을 대상으로 조사한 결과에 따르면 LHC가 힉스 입자를 발견할 확률은 90%로 나타났다. 초대칭 입자를 관측할 확률은 42.8%. 

LHC는 오는 9월 가동을 시작할 예정이다. 전 세계 9000여 명의 물리학자들은 지금 지구 최대의 ‘입자 쇼’가 시작되기만을 기다리고 있다. 이 쇼가 끝나면 우주라는 ‘밥상’에 맛있는 ‘반찬’들이 한 상 가득 오를 것이다. 우리는 그들이 차려놓은 ‘밥상’을 맛있게 먹기만 하면 된다. 

LHC 연표

1994년 12월 16일 

LHC 공사 결정.

1995년 10월 

LHC 설계도 완성.

1996년 2월 힉스 

입자 찾는 CMS와 ATLAS 검출기 실험 결정.

1997년 2월 

쿼크-글루온 플라스마 찾는 ALICE 검출기 실험 결정.

1998년 4월 ATLAS 검출기 건설 시작.

2001년 1월 그리드 컴퓨팅 연구 시작.

2004년 9월 29일 CERN 50주년.

2005년 3월 

전 세계 31개국 100여개 연구기관이 그리드 컴퓨팅 기술 공유.

2006년 11월 LHC에 초천도 자석 총 1624개 설치. 

2007년 12월 CMS 검출기 설치 완료.

2008년 9월 

LHC 가동 예정. 

출처 :한류열풍 사랑 원문보기 글쓴이 : 흔적