케임브리지대학교 실험 입자물리학 교수인 마크 톰슨이 세계 과학계에서 가장 선망받는 직책 중 하나를 맡게 됐다. 하지만 한편으로는 그가 공익을 위해 개인적인 희생을 한 것은 아닌지 의문이 들기도 한다.
톰슨은 1월 1일자로 제네바 인근에 위치한 노벨상 수상 실험실인 CERN(유럽입자물리연구소)의 사무총장에 취임한다. 바로 이곳 지하 깊은 곳에 인류 역사상 가장 거대한 과학 장비인 대형 강입자 충돌기(LHC)가 설치되어 있어, 빅뱅 직후의 순간을 재현한다.
LHC는 입자에 질량을 부여하는 우주적 접착제 역할을 하는 힉스 장과 관련된 힉스 입자를 발견하며 역사적 위치를 확보했다. 하지만 톰슨의 첫 번째 임무 중 하나는 주요 공사 작업을 위해 이 충돌기를 멈추는 것이다. 충돌기는 그의 임기가 거의 끝날 때까지 재가동되지 않을 전망이다.
70여 년 전 케임브리지에서 발견된 DNA 이중 나선 모형을 지나 캐번디시 연구실에 마련된 자신의 사무실에서 톰슨은 충돌기 가동 중단에 전혀 낙담하지 않는다. 오히려 그는 향후 5년을 기대하고 있다.
그는 "LHC는 훌륭하게 작동하고 있으며, 우리는 방대한 양의 데이터를 수집하고 있다"며 "이 기간 동안 분석할 자료는 많을 것이다. 물리학적 성과도 계속 나올 것"이라고 말했다.
톰슨의 배경은 전통적인 학계와는 거리가 멀다. 그는 웨스트서식스주 워싱에 있는 종합학교를 다녔고, 10대 초반에 CERN에 관한 대중 과학 서적을 읽은 후에야 물리학에 관심을 갖게 됐다. 그는 "그 책이 제 방향을 정해줬다"며 "우주가 어떻게 작동하는지 이해하고 싶었다"고 회상했다. 그는 가족 중 최초로 대학에 진학해 옥스퍼드에서 물리학을 공부했다.
LHC는 프랑스와 스위스 국경 지하에 설치된 27km 길이의 원형 터널에서 양성자(수소 원자의 핵)를 거의 광속에 가깝게 가속시킨다. 터널 주위 네 지점에서 서로 반대 방향으로 진행하는 양성자를 충돌시킨다. 이 충격에서 발생하는 에너지는 새로운 입자들을 다량 생성하며, LHC 검출기들이 이를 기록한다. 아인슈타인의 유명한 방정식 E=mc²에 따라 에너지가 많을수록 더 무거운 입자가 생성된다.
6월부터 시작될 이번 가동 중단은 고휘도 LHC(HL-LHC)를 위한 발판이 될 전망이다. HL-LHC는 양성자 빔을 집중시켜 밝기를 높이기 위해 강력한 새로운 초전도 자석을 포함하는 대규모 업그레이드 작업으로, 충돌 횟수를 10배로 늘릴 예정이다. 검출기도 새로운 물리 현상의 미세한 신호를 더 잘 포착할 수 있도록 개선된다. 톰슨은 "이는 엄청나게 흥미로운 프로젝트"라며 "기존 장비를 평소처럼 운전하는 것보다 훨씬 더 재미있다"고 말했다.
업그레이드가 성공하면 입자와 상호작용을 더 정밀하게 측정할 수 있어 현재 이론의 결함을 발견하고 새로운 발견으로 이어질 가능성이 있다. 여전히 풀리지 않은 수수께끼 중 하나는 힉스 입자 자체다. 기본 입자들이 힉스 장에서 질량을 얻지만, 왜 질량이 다른지는 아직 알려지지 않았다. 심지어 힉스 입자들이 서로 어떻게 상호작용하는지도 불분명하다. 톰슨은 "완전히 예상치 못한 것을 발견할 수도 있다"고 말했다.
HL-LHC를 감독하는 것은 톰슨의 5년 임기 동안 핵심 과제가 될 것이다. 하지만 그는 더 크고 논쟁적인 프로젝트인 LHC 이후의 계획도 다뤄야 한다. LHC는 2041년경 수명을 다할 예정이다. 가장 유력한 후보는 미래 원형 충돌기(FCC)라는 거대한 장비다.
CERN의 타당성 연구에 따르면 FCC는 LHC보다 3배 이상 커서 지하 400m 깊이에 91km 길이의 새로운 원형 터널을 굴착해야 한다. 이 프로젝트는 두 단계로 건설되며, 1단계는 2030년대 후반에 시작될 예정이다. 2040년대에는 전자와 그 반물질 파트너인 양전자를 충돌시키는 계획이다. 이후 2070년대경에는 LHC보다 7배 높은 에너지로 양성자를 충돌시키도록 설계된 새로운 충돌기로 교체될 예정이다. 1단계 비용은 약 150억 스위스 프랑(약 14조 원)으로 추산된다.
공학 자체는 야심차지만, FCC는 더 광범위한 도전에 직면해 있다. 2028년 이 프로젝트에 투표할 CERN 회원국들은 전체 비용을 감당할 수 없어 추가적인 국제 기여자가 필요하다. 동시에 이 장비가 새로운 발견을 하는 최적의 장비인지에 대한 논쟁도 계속되고 있다. FCC가 은하 주위에 뭉쳐 있는 암흑 물질이 무엇인지, 우주 팽창을 주도하는 암흑 에너지는 무엇인지, 중력은 왜 그렇게 약한지, 우주가 형성될 때 물질이 반물질보다 우세한 이유는 무엇인지 등 물리학의 큰 질문에 답할 것이라는 보장은 없다. 명확하고 보장된 돌파구 없이는 마크 톰슨의 지지 확보 작업은 더 어려워질 것이다.
그러나 CERN은 항상 과학 그 이상이었다. 이 연구소 덕분에 유럽은 입자물리학 분야의 세계적 리더가 되어 수만 명의 연구자들을 유치하고 신기술 개발을 주도해 왔다. 하지만 미국과 중국을 비롯한 다른 국가들도 차세대 충돌기에 대한 자체 계획을 추진하고 있다. CERN이 그 우위를 유지할지 여부는 LHC 후속 장비의 성공에 달려 있다.
톰슨은 "아직 발견이 멈춘 지점에 도달하지 않았으며, FCC는 자연스러운 다음 단계"라며 "우리의 목표는 가장 근본적인 수준에서 우주를 이해하는 것"이라고 말했다. 그는 "지금이 포기할 때가 결코 아니다"라고 강조했다.
자주 묻는 질문
물론입니다. 다음은 '대형 강입자 충돌기를 맡은 사람은 그것을 멈추기 위해 맡은 것뿐이다'라는 문장에 관한 자주 묻는 질문 목록입니다.
초급 일반 질문
1 대형 강입자 충돌기(LHC)란 무엇인가요?
LHC는 세계에서 가장 크고 강력한 입자 가속기입니다. 이는 CERN(유럽입자물리연구소)이 있는 스위스 제네바 근처 지하에 매설된 27km 길이의 초전도 자석 링입니다. 과학자들은 이를 이용해 양성자를 거의 광속으로 충돌시켜 우주의 기본 구성 요소를 연구합니다.
2 정말 새로운 사람이 LHC를 멈추기 위해 맡는 건가요?
아니요, 그건 사실이 아닙니다. 이는 오해나 허구입니다. LHC는 중요한 과학 장비입니다. 새로운 소장이나 프로젝트 리더는 이를 종료하기 위해 임명되는 것이 아니라, 운영, 업그레이드 및 미래 연구 목표를 관리하기 위해 임명됩니다.
3 왜 누군가가 그것을 멈추고 싶어 한다고 생각할까요?
이 생각은 공상과학 소설, 예정된 유지보수에 대한 오해, 또는 예산 논쟁에 대한 혼란에서 비롯될 수 있습니다. LHC는 업그레이드와 수리를 위해 주기적으로 장기 가동 중단을 거치는데, 누군가 이를 영구 폐쇄로 오해할 수 있습니다.
4 실제로 LHC를 책임지는 사람은 누구인가요?
LHC는 CERN(유럽입자물리연구소)이 관리합니다. 과학자, 엔지니어 및 프로젝트 리더로 구성된 팀이 일상 운영을 감독합니다. 리더십 역할은 일반적인 경력 발전의 일환으로 시간이 지남에 따라 변경됩니다.
5 한 사람이 LHC를 멈추기로 결정할 수 있나요?
아니요. LHC는 여러 국가의 협력으로 자금을 지원하고 운영되는 국제 프로젝트입니다. 영구 폐쇄와 같은 주요 결정은 단일 개인이 아닌 회원국과 과학계의 복잡한 합의가 필요합니다.
중급 운영 관련 질문
6 LHC는 가동 중단된 적이 있나요?
네, 하지만 일시적으로만 그렇습니다. LHC는 여러 해 동안 가동된 후 예정된 장기 가동 중단을 거칩니다. 이러한 기간은 필수 유지보수, 출력 또는 감도 향상을 위한 업그레이드, 새로운 검출기 설치를 위한 것입니다.
7 예정된 장기 가동 중단 동안 어떤 일이 일어나나요?
팀은 수천 가지의 유지보수 작업을 수행합니다. 전기 연결 보강, 컴퓨팅 시스템 업그레이드, 새로운 빔 파이프 설치, 검출기 구성 요소 개선 등이 포함됩니다. 이는 기계를 더 좋게 만들기 위한 대규모 피트 스톱과 같습니다.
