서론
넷플릿스의 드라마 '삼체' 첫 번째 에피소드를 보면 노벨상까지 받을 것으로 예상하는 유명 과학자들이 의문의 죽음을 당하거나 자살하고 전 세계 첨단 과학 시스템이 실험 데이터로 알 수 없는 오류를 발생시키는 것으로 나옵니다. 이 중 한 예가 CERN이 나오게 됩니다. CERN은 유럽 입자 물리 연구소(Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire)의 약칭으로 이전의 이름은 '유럽 합동 원자핵 연구소(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)'의 약자입니다. 이곳이 바로 입자 가속기가 있는 곳이며, 드라마에서는 이 가속기에 오류가 있는 것으로 설정되었습니다. 드라마를 계속 시청하다 보면, 우주인이 자신들이 살던 행성에 더 이상 살 수 없게 되자 자신들의 행성을 탈출해 새로운 곳으로 이주하려고 계획하는 곳이 지구라는 것을 알게 됩니다. 그런데 문제는 지구의 과학 기술 발전 속도가 빨라 자신들이 지구에 도착할 무렵에는 과학 문명이 더 앞서게 되어 이주 계획이 실패로 돌아갈 것을 예상하게 됩니다. 그러한 탓에 지구의 과학 문명이 발전하지 못하도록 방해를 하게 됩니다. 첨단 과학 기술의 대표 격이 입자 가속기인데 입자 가속기가 무엇이길래 드라마의 외계인이 방해하고 프로젝트를 망가뜨리려 한 것일까요. 이 글에서는 입자가속기가 무엇인지 어떤 것을 할 수 있는지 알아보도록 하겠습니다.
입자가속기, 입자 운동은 무엇
모든 물질은 작은 부분으로 구성할 수 있습니다. 중학교 때 배우는 돌턴의 분자론같은 것입니다. 예를 들어 물은 물분자로 구성되어 있고 물 분자는 다시 수소와 산소 원자로 또 이 원자들은 핵과 전자, 또 이 핵은 다시 중성자와 양성자로 구성되어 있습니다. 이런 것을 입자라고 말할 수 있습니다. 물을 이용하여 입자의 운동을 설명하면 이 입자들이 움직임의 정도에 따라 얼음과 물 그리고 수증기로 구분할 수 있습니다. 모두 똑같은 H2O인데 입자의 운동상태가 어떻냐는 것에 따라 명칭이 다르고 얼음에서 물 그리고 수증기로 갈수록 입자를 운동시킬 수 있도록 에너지가 더 많이 필요합니다 얼음을 따뜻하게 해야 물이 되고 물을 끓여야 수증기가 되는 것입니다. 입자가속기는 입자를 매우 높은 속도로 가속시켜 주는 장치입니다. 이 장치는 대개 전기장이나 자기장을 사용하여 입자에 힘을 가하여 그들의 속도를 높여줍니다. 전기장과 자기장은 입자에 힘을 가하고 힘을 충전시킵니다. 이렇게 힘이 충전된 양성 전하와 음성 전하는 서로 반대 방향으로 끌어당기고, 같은 전하끼리는 서로 밀어내게 되어 움직이게 됩니다.
입자가속기의 역할은 일반적으로 생각할 수있는 힘이 아니라 어마어마하게 큰 전기장과 자기장을 이용하여 눈에도 보이지 않는 입자에 엄청난 힘을 줘서 움직이도록 하는 것입니다. 이를 통해 과학자들은 입자들의 특성과 행동을 연구할 수 있습니다. 가속된 입자들은 서로 충돌하거나 다른 물질과 상호작용하면서 새로운 현상을 발견하거나 이해할 수 있습니다. 예를 들어, 입자물리학 연구에서는 가속된 입자들을 서로 충돌시켜 더 작은 입자들로 분해하는 과정을 관찰함으로써 우주의 기원과 구조를 이해하려고 합니다.
입자의 충돌과 빅뱅
빅뱅 이론은 우주의 기원과 발전을 설명하는 천문학적 모델 중 하나로, 현대 물리학에서 가장 널리 받아들여지는 이론 중 하나입니다. 이론에 따르면, 우주는 약 138 억 년 전에 매우 작고 뜨거운 고밀도 상태에서 시작되었습니다. 이 상태에서 우주는 급격히 팽창하면서 온도가 떨어지고 밀도가 낮아지며, 에너지가 물질로 변환되면서 안정화되기 시작하였습니다. 이러한 초기 우주의 고밀도 상태에서 입자들이 매우 높은 에너지를 가지고 충돌하며 형성되었습니다. 이 충돌은 빅뱅 초기에 매우 중요한 역할을 하였습니다. 예를 들어, 가장 초기에는 전자와 양성자가 충돌하여 중성 원자를 형성하였고, 이후 중성 원자가 하나의 입자로 결합하여 원자핵을 형성하였습니다. 이러한 과정을 통해 우리가 현재 알고 있는 다양한 입자들이 형성되었고, 이들의 상호작용과 진화를 통해 우주는 점점 더 복잡한 구조를 형성해 나갔습니다. 따라서 빅뱅 초기의 입자 충돌은 현대 우주의 구조와 다양성을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.
또한, 빅뱅 이론은 초기 우주의 고밀도 상태에서의 입자 충돌이 매우 중요하며, 우주의 진화와 구조 형성에 큰 영향을 미쳤다는 것을 보여줍니다. 따라서 입자의 충돌은 빅뱅 이론의 핵심 개념 중 하나이며, 이를 통해 우주의 기원과 발전을 이해하는 데 중요한 힌트를 제공합니다.
빅뱅당시 양성자 충돌 에너지는 14TeV
전압은 전기가 흐르게 하는 힘입니다. 전압이 있어야 전구를 켜고, 모터를 돌리고 전자 기기를 작동시킬 수 있습니다. 일상생활에서 사용하는 전압의 예로 휴대폰 충전기는 5V, 자동차 배터리는 12V입니다. 과학자들은 빅뱅당시 분자 속의 핵, 핵 속의 양성자가 충돌했을 때의 에너지를 14TeV라고 보고 있습니다. 그렇다면 14TeV는 어느 정도의 힘일까요? 1 테라볼트는 1볼트의 1,000,000,000,000배입니다. 쉽게 이해하기 위해 다음과 같이 비유해 볼 수 있습니다. 1 테라볼트는 1 킬로그램의 무게와 같습니다. 1 볼트는 1 마이크로그램의 무게와 같습니다. 따라서 1 테라볼트는 1 킬로그램의 무게가 1 마이크로그램의 무게만큼 무거운 것과 같습니다. 1 테라볼트는 매우 큰 전압이며, 일상생활에서 사용되는 전압보다 훨씬 큽니다. 참고로 번개나 고압 전력망, 핵융합 실험등에서 1 테라볼트 이상의 전압이 사용됩니다.
양성자의 크기는 어느정도할까요 양성자의 크기는 약 0.84 페미토미터(fm)입니다. 이는 1미터의 100조 분의 1에 해당하는 매우 작은 크기입니다. 참고로, 다음과 같은 것들과 비교해 볼 수 있습니다. 양성자의 크기는 원자의 크기의 약 10만 분의 1입니다. 만약 원자핵을 축구공 크기로 한다면, 양성자는 그 안의 테니스공 크기 정도입니다. 이렇게 작은 양성자에 14TeV의 힘을 줘서 충돌하는 것을 빅뱅으로 보고 있습니다.
결론
입자가속기는 단순히 입자를 가속하는 장치가 아닙니다. 그것은 우리가 우주의 탄생과 근본 법칙에 대한 이해를 넓히는 데 중요한 역할을 하는 과학의 거대한 도약입니다. CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)는 그 대표적인 예입니다. LHC는 현재 3.5TeV의 에너지로 양성자를 충돌시키고 있습니다. 이는 빅뱅 직후 우주의 에너지 수준에 가까운 값입니다. 이 극도로 높은 에너지의 충돌을 통해 우리는 빅뱅 당시 일어났던 현상들을 실험실에서 재현하고 연구할 수 있습니다. CERN은 2025년 LHC를 16TeV 에너지로 업그레이드할 계획입니다. 이는 현재 에너지보다 4.5배 높은 에너지로, 더욱 흥미로운 발견을 기대할 수 있습니다. 16TeV 에너지에서 탐색 가능한 새로운 물리 영역은 빅뱅 직후 우주의 초기 조건과 진화에 대한 이해를 크게 확장시킬 것입니다. 입자가속기는 과학적 탐구의 끝없는 여정에서 중요한 도구입니다. LHC는 현재 운영 중인 가장 강력한 입자가속기이지만, 미래에는 더욱 강력한 입자가속기가 건설될 예정입니다. 이러한 노력을 통해 우리는 우주에 대한 이해를 더욱 높이고, 더 나은 미래를 만들어갈 수 있을 것입니다.
이런 정보 어떠세요?