[저자와 차 한잔]‘LHC, 현대물리학의…’ 이강영 교수

“물질의 본질 캐는 입자물리학… 2년쯤 뒤면 획기적 연구 성과”

“대형 하드론 충돌기(LHC·Large Hadron Collider)에서 진행 중인 연구를 안다는 것은 곧 인류가 물질과 우주의 근본을 캐기 위해 어떤 단계에 와 있는지를 안다는 것이죠.”

건국대 물리학부 이강영 연구교수(45)는 입자물리학의 최전선에서 어떤 연구가 진행되고 있는지 사람들이 알았으면 하는 바람에서 ‘LHC, 현대물리학의 최전선’(사이언스북스)을 집필하게 됐다며 이같이 말했다. 입자물리 이론학자인 자신을 만난 사람들이 늘 ‘무슨 일을 하느냐’고 묻는 것이 자극이 됐다.

LHC는 스위스 제네바 유럽입자물리학연구소(CERN)에 있는 초대형 입자 가속기이자 충돌기. 지하 100m에 길이 27km의 터널을 따라 설치돼 있다. LHC는 지상 최대의 과학 실험 장치로 현대 과학기술의 집약체다. 길이 27km의 거대한 가속기 내부를 우주공간 온도보다 낮은 극저온 상태로 유지하는 초전도 기술과 빛의 속도에 가깝게 날아가는 양성 빔을 정밀하게 조정하는 기술 등이 집적돼 있다.

이강영 건국대 물리학부 연구교수는 “LHC를 이용한 입 자물리학의 연구는 우주의 탄생이나 물질의 근본을 묻 는 것이어서 철학에도 적지 않은 영향을 미칠 것”이라 고 말했다. 사이언스북스 제공

이보다 더 놀라운 것은 LHC를 이용해 물리학자들이 하는 연구다. 물리학자들은 LHC를 이용해 우주의 탄생 순간인 대폭발(빅뱅) 이후 1조분의 1초가 지났을 때의 상태를 연구하고 있다. 이를 통해 힉스 입자의 존재 여부, 3차원 이상의 공간 차원을 찾는 여분 차원 연구, 우주를 지배하는 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체를 규명하는 연구 등을 진행한다. 이 교수는 “2008년 9월 가동 초기 고장을 극복하고 현재는 전체 출력의 절반 정도 수준에서 양성자를 가속해 실험결과를 축적하고 있다”며 “내년 말쯤이면 힉스 입자의 존재에 대해서는 상당한 얘기를 할 수 있을 것”이라고 소개했다.

힉스 입자는 약한 상호작용을 일으키게 하는 것으로 추정되는 에너지 덩어리다. 약한 상호작용은 원자핵보다 작은 규모에서 작용하는 힘으로, 핵융합이 약한 상호작용에 의해 발생하는 대표적인 현상이다. 빅뱅 이후 1조분의 1초 때에는 우주 전체가 아주 작은 상태에 있었기 때문에 약한 상호작용을 비롯해 강한 상호작용, 전자기력의 지배를 받았다.

이 교수는 “힉스 입자의 존재를 발견해야 지금까지 인류가 전자기력과 강한 상호작용, 약한 상호작용을 설명하기 위해 세운 입자물리학 표준모형이 옳았다는 것을 입증하게 된다”고 말했다. LHC는 힉스 입자를 발견할 능력을 충분히 갖췄기 때문에 만약 이 입자가 나타나지 않는다면 20세기 물리학이 이룩해 온 성과의 대부분을 폐기해야 한다.

이 교수는 “LHC에서는 힉스 입자 외에 우리가 알지 못하는 미지의 입자들이 계속 출현할 가능성이 크다”며 “이를 통해 전자기력과 강한 상호작용, 약한 상호작용을 한데 묶을 수 있는 통일장 이론을 구축할 수도 있다”고 설명했다.

고대 그리스 철학자들의 원자론부터 하이젠베르크와 슈뢰딩거에 의해 정립된 양자역학, 리처드 파인만이나 이휘소 박사의 연구업적, 현대 입자물리학의 표준 모형과 그 근거가 되는 게이지 양자장 이론 등도 자세히 소개하고 있다.

허진석 기자 jameshuh@donga.com