사이언스 올제

ENGINEERING 차세대 선형 입자 충돌기를 건설한다

복잡미묘한 고에너지 입자물리학을 더 깊이 연구하기 위해 좀더 강력한 전자-양전자 충돌기를 건설해야 한다

글 : Barry Barish, Nicholas Walker, Hitoshi Yamamoto

대형 강입자 충돌기(LHC: Large Hadron Collider) 덕택에 원자보다 작은 입자 연구 영역에 대한 탐구가 전례 없이 높은 수준까지 확장되면 물리학에 새로운 시대가 열리게 된다. 하지만, 프랑스와 스위스 국경 지대 지하에 위치한 LHC의 거대한 저장 터널 속에서 최초의 고에너지 충돌이 개시되기도 전에 과학자들은 벌써 거대한 후속 입자가속기 건설을 계획하고 있다. “국제 선형 충돌기” (ILC: International Linear Collider) 건설안을 선택하기로 입자물리학계에서 의견이 일치한 것이다. 이 충돌기는 광속에 매우 가까운 속력으로 전자와 양전자를 충돌시키는 길이 30킬로미터가 넘는 장치이다. (양전자는 전자의 반물질 상대 입자로 전자와 질량이 같고 전하가 반대이다.)

이전의 전자-양전자 충돌기보다 훨씬 강력한 ILC를 이용해서 물리학자들은 LHC가 개척해 놓은 발견들에 대해 후속 연구를 할 수 있게 될 것이다. LHC는 양성자의 충돌을 연구하기 위해 설계된 것인데 양성자는 사실 글루온 (강한 핵력을 운반하는 입자)에 의해 3개의 쿼크가 묶여 있는 다발이다. 쿼크와 글루온들은 양성자 속에서 끊임없이 상호작용하고 있기 때문에 양성자-양성자 충돌은 본질적으로 복잡 산만한 현상이다. 따라서 충돌 순간 개별 쿼크가 가진 에너지를 확실히 알 수 없고, 이런 불확실성 때문에 충돌 시 발생하는 희귀한 입자들의 성질을 파악하기가 어렵다. 반면 전자와 양전자는 합성 입자가 아니라 기본 입자이므로 전자-양전자 충돌기를 이용하면 각 충돌의 에너지를 높은 정확도로 알 수 있다. 이 때문에 ILC는 새로 발견되는 입자의 질량 및 그 밖의 특성을 정밀 측정하는 데 극히 쓸모 있는 도구가 될 것이다 [58쪽 참고].

현재 전세계의 약 300개 연구소와 대학교에 있는 1,600명 이상의 과학자와 기술자들이 ILC의 설계와 입자 충돌을 분석할 검출기 개발에 매달리고 있다. 2007년 2월 우리 설계팀은 건설비 추정액을 67억 달러로 발표했다(검출기 비용은 제외). 우리는 제네바 부근에 있는 유럽 입자물리학 연구소(CERN), 일리노이 주 바타비아 소재 페르미 국립 가속기 연구소, 일본의 산악지대 등 세 후보지에 대한 ILC 건설비 비교 작업을 마치고, 현재 진정한 국제적 연구소로서의 운영 체제를 개발 중이다. ILC 건설비가 꽤 비싼 것처럼 보이지만 이는 대략 LHC 또는 ITER 핵융합로와 같은 대형 과학 프로그램에 드는 비용과 비슷한 수준이다. 모든 일이 제대로 진행되면 2020년대 중 언젠가 ILC가 입자물리학의 변방을 밝혀주기 시작할 것이다.