백만 번의 충돌을 기록한 거대강입자충돌기

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-01-09

회의와 실험을 위해 거대강입자충돌기(Large Hadron Collider : LHC)로 겨울여행을 간 아이오와주립대(Iowa State University)의 물리학자 3명이 마침내 지구 최대의 과학실험으로부터 얻은 실제 데이터에 대한 연구를 시작했다. 수십억 달러의 이 충돌기는 2008년 9월 10일에 스위스 제네바 근처에 있는 17마일의 지하터널 둘레로 첫 번째 양성자 빔을 발사했을 때 국제적인 뉴스거리가 되었다. 그러나 고전류 전자 접속부의 고장으로 인해 수리와 시험을 위해서 1년 넘게 가동이 완전히 중단되어야만 했다. 2009년 11월 20일 충돌기가 다시 한 번 터널 속으로 양성자를 발사했을 때 전 세계의 물리학자들은 환호했다. 3일 뒤에는 처음으로 양성자-양성자 충돌을 기록했다. 그리고 11월 30일에는 2개의 양성자 빔들을 가속시켜 총 에너지 2.36조 전자볼트라는 세계기록을 달성했다. 유럽원자핵연구기구인 CERN의 물리학자들은 올해 말로 예정된 훨씬 더 높은 에너지의 충돌을 준비하기 위해 12월 16일에 충돌기의 가동을 중지했다. “데이터들은 매우 아름답다.”라고 아이오와주립대 물리천문학 부교수인 소에렌 프렐(Soeren Prell)은 말했다. 프렐은 아틀라스(Atlas) 실험장치에 있는 실리콘 픽셀 검출기로 기록했던 첫 번째 데이터를 연구해왔다. 이 픽셀 검출기는 아틀라스 가장 깊숙한 곳에 있는 부품이며 충돌기에 있는 2개의 거대한 범용 검출기들 중 하나이다. 아틀라스는 양성자나 납 이온들이 전례 없는 에너지로 충돌할 때 만들어진 입자들의 경로, 에너지 및 그 실체를 측정할 예정이다. 픽셀 검출기는 입자들의 충돌에 가능한 한 근접해서 정밀하게 측정하기 위해서 8천만 개의 픽셀을 이용한다. 이미 픽셀 검출기는 배경잡음이 매우 적은 상당히 깨끗한 데이터를 물리학자들에게 제공하고 있다고 프렐은 말한다. 그러나 픽셀 검출기가 올바르게 정렬되고 교정되었는지를 확실히 하기 위해서 물리학자들은 여전히 연구해야 한다. 검출기는 분해능이 1천만분의 1미터까지 내려갔으며 그 만큼 정밀하게 정렬되어야 한다. 또한 검출기의 데이터는 연구와 분석을 위해서 전 세계의 물리학자들에게 배포되어야 한다. 물리천문학 부교수인 짐 코크란(Jim Cochra)은 아틀라스 실험장치의 분석지원 매니저이다. 연구자들이 자신만의 분석에 필요한 데이터를 얻었는지를 보장하는 것이 그의 일이다. 지금까지는 이 실험의 분석시스템은 데이터에 뒤지지 않았다. 그러나 충돌기가 2월에 제자리를 잡은 뒤 더 높은 에너지와 훨씬 더 높은 충돌 속도로 가동을 시작하면 큰 문제가 될 것이다. “내가 가진 걱정들 중 하나는 우리가 기대하고 있는 데이터 부하를 과연 우리가 처리할 수 있을지의 여부이다. 우리는 전산시스템을 최적화시켜야한다. 우리는 이미 70만 번 충돌시켰으며, 이것은 다가올 것에 비하면 아무것도 아니다.”라고 코크란은 말했다. 이것은 LHC로부터 지금 당장 중대하고 새로운 노벨상 감의 물리적 현상이 나오지는 않을 것이라고 물리천문학 부교수인 쿤후이 첸(Chunhui Chen)이 사람들에게 말하고 있는 이유들 중 하나이다. 수집하고, 배포하고 분석하기에는 데이터가 너무나 많다고 첸은 말한다. “지금은 매우 중요한 순간이다. 아마도 우리는 새로운 물리적 현상을 관찰할 수 있을지도 모른다.”라고 첸은 말한다. 그는 아틀라스 실험장치의 픽셀 검출기 및 흥미로운 충돌 사건들을 인식하여 기록하는 아틀라스 트리거 시스템을 연구하고 있다. 그런 중요한 사건으로는 입자물리학의 표준모델(Standard Model)에서 예측된 입자인 힉스 보손(Higgs boson)이 포함될 수도 있을 것이다. 표준모델은 공간이 힉스장으로 채워져 있으며 입자들은 힉스장과의 상호작용을 통해 자신의 질량을 획득한다는 이론이다. 힉스를 검출하여 연구한다면 왜 물질이 질량을 가지며 입자는 어떻게 질량을 획득하는지에 관한 기본적인 의문에 답을 줄 수 있을 것이다. 또한 물리학자들은 LHC로 더 높은 에너지가 가능해진다면 물질과 반물질, 암흑물질, 초대칭성, 덧차원, 대통일이론, 혹은 완전히 예상치 못했던 무언가에 관한 큰 물리학적 의문에 답을 줄 수 있을 것이라는 기대도 하고 있다. “백 년 전 물리학자들은 특수상대론과 양자역학을 발견했다. 물리학에 관한 우리의 이해는 완전하지 못하다는 것을 우리는 알고 있다. 우리가 이해하고 있는 것 너머에 무엇이 있는지도 우리는 모른다. 그래서 이번 연구는 긴 연구 프로그램이 될 것이다. 우주의 비밀들을 실제로 밝히기 위해서는 여러 해에 걸친 헌신적인 연구가 필요할 것이다.”라고 첸은 말했다. * 그림 : 지난 달, LHC의 아틀라스 실험장치가 2.36조 eV라는 기록적인 에너지의 양성자-양성자 충돌을 기록하기 시작했다. atlas.jpg 출처 : http://www.photonics.com/Content/ReadArticle.aspx?ArticleID=40757