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인류는 어디서 왔는가.. 내년 6월이면 풀립니다

입력 2011. 07. 15. 03:25 수정 2011. 07. 15. 03:25

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[서울신문] "지금은 인류가 수천년 동안 궁금해했던 '우리는 어디서 왔는가'란 물음에 대한 해답을 얻기 직전입니다. 늦어도 내년 여름이면 약 140억년 전 태초(太初)의 신비가 상당 부분 규명됩니다. 현대물리학의 기본 틀을 형성하고 있는 가설이 맞는지를 확실히 알 수 있게 되는 것이지요. 이를 통해 과학은 이전에 이뤄낸 모든 성과의 총합보다 더 많은 것을 얻어내게 될 것입니다."

유럽원자핵공동연구소(CERN)의 롤프 디터 호이어(63) 소장은 들떠 있었다. 14일 서울신문과 단독으로 가진 이메일·전화 인터뷰에서 전 지구적 과학계의 이목이 쏠려 있는 '힉스(Higgs) 입자' 규명이 당초 계획보다 6개월쯤 앞당겨져 내년 여름에 가능할 것이라고 자신했다.

CERN의 수장이자 가속기 분야의 세계적 권위자인 그는 현재 '인류 최대의 실험'을 진두지휘하고 있다. CERN은 7조원에 가까운 예산이 투입된 지구 최대의 대형 강입자 가속기(Large Hadron Collider·LHC)를 2008년부터 가동하며 지구와 우주의 기원을 탐구하고 있다. LHC는 스위스와 프랑스 국경 일대 100m 지하에 마련된 직경 9㎞, 길이 27㎞의 원형 터널에 구축돼 있다.

호이어 소장과의 인터뷰는 기초기술연구회가 주선하고 최선호 서울대 물리천문학부 교수의 의견을 받아 진행됐다.

→CERN이 진행하는 전 지구적 프로젝트가 과학계에는 초미의 관심사이지만 일반인에게는 그 개념조차 어려운 것 같다.

-한마디로 138억년 전 우주를 탄생시킨 빅뱅(대폭발) 직후의 상황을 재현하는 작업이다. 2개의 양성자 빔을 LHC 내에서 광속(光速)에 가깝게 가속시킨 뒤 정면으로 충돌시키는 것이 핵심이다. 이를 통해 우주를 구성하는 데 관여한 16개 입자(표준 모형)의 질량을 정의해 낸 힉스입자의 존재를 확인하는 게 우리의 목표다. 태초에 만들어졌지만 지금은 찾을 수 없는 반(反)물질을 추적하는 것도 우리가 우주의 진화를 규명하는 데 중요하다. 실험에 참여하는 과학자들은 필사적이다. 이번에 힉스 입자를 규명하지 못하면 현대물리학이 세운 대부분의 이론은 갈 길을 잃게 된다. 당분간 새로운 형태의 대규모 실험을 시도할 명분도 사라질 수밖에 없다.

→현재 진척도는 어느 정도인가.

-다행히 LHC가 기대 이상으로 훌륭한 성능을 발휘하고 있다. 물리학에서는 실험을 통해 데이터를 얼마나 쌓느냐가 중요한데, 올해의 경우 고작 절반 정도 지난 상황에서 연간 목표량을 웃돌고 있다. 현재 진행 속도와 데이터 분석 시간을 감안하면 내년 6월쯤이면 힉스 입자를 발견하거나 아니면 존재하지 않는다는 것을 확실히 알 수 있다.

→당초 발표보다 6개월가량 빠른데.

-그렇다. 예상보다 실험이 훨씬 더 원활하게 진행되어 태초의 신비에 더욱 빠르게 근접하고 있다. 힉스 입자가 발견된다면 우리는 '표준 모형'을 완성할 수 있다. 그게 아니면 사실상 처음부터 다시 시작해야 한다. 어느 쪽이든 획기적인 발견이라고 할 수 있다. 다만 힉스 입자를 발견하더라도 우리 연구진이 '유레카'라고 외칠 수 있는 시간이 없다는 점은 아쉽다. 워낙 짧은 시간만 존재할 게 뻔하기 때문이다.

→순식간에 소멸되는 힉스 입자의 존재 여부를 확인할 수 있는 방법이 있나.

-이미 수많은 과학자들이 이론물리학을 통해 토대를 닦아 놓았다. 시나리오에 따르면 힉스 입자는 사라지면서 다른 입자들을 만들어낸다. 이 입자들은 힉스 입자보다 좀 더 오랜 시간 동안 남아 있게 되는데, 우리는 이를 힉스 입자의 흔적으로 여긴다. 어떤 형태로 나타나는지까지도 알고 있다. 이런 특이한 패턴이 우리가 설정한 예상치보다 많이 나오는 일이 반복되면 힉스 입자가 있는 것으로 볼 수 있고, 그렇지 않다면 힉스 입자가 없다고 판단할 수 있다. 다만 확실한 증거를 확보하기 위해 많은 양의 데이터가 필요하다. 다시 말해, 내년 6월이면 이를 단언할 만큼 충분한 데이터를 얻고 분석을 마칠 수 있다.

→최근에 가시적인 성과들이 부쩍 늘었다고 들었다.

-지난달 CERN이 보유한 반양성자 감속장치(AD)에서 반물질(반수소)을 1000초(16분 40초) 동안 포착하는 데 성공했다. 이전에도 반물질을 만든 적은 있었지만, 이렇게 오랜 시간 잡아둔 적은 없었다. 반물질은 물질과 만나는 순간 함께 사라지기 때문에 우리 연구진은 극저온 냉동기술을 동원해 반수소를 잡아두는 기술을 개발해냈다. 이제는 잡아둔 반수소의 속성을 연구하는 단계에 접어들었다. 이 과정을 거치면 왜 반물질이 사라졌는지에 대한 해답을 얻을 수 있다.

→힉스 입자의 존재 유무를 입증하고 나면, 그다음 단계는 무엇인가.

-CERN에서 이뤄지는 모든 연구는 긴 안목의 장기 프로그램들이다. 막대한 예산이 투입된 장비인 만큼 처음 목표를 달성하면 그다음 단계에서 무슨 실험을 할지 계획을 짜 놓은 상태다. 우선 내년 힉스 입자 실험이 1차 완료되면 내년 말 가동을 중단한다. 현재의 에너지를 두배로 늘리기 위한 작업을 1년간 진행한 후 2014년에 다시 가동을 시작한다. 또 몇 년간 가동하고 다시 정지시켜 개선하는 작업이 반복될 것이다. 매 간격마다 우리는 좀 더 발전된 형태로 과학적 진리에 다가가게 될 것이다.

→전 세계 60여개국, 1만여명의 과학자를 이끌고 있다. 어려움은 없나.

-국적도, 전공도 다른 과학자들이 함께 작업하지만 의외로 어려움은 없다. 이들이 모두 같은 목표를 갖고 있기 때문이다. 목표를 향한 공통된 집념은 연구 생산성도 자연스럽게 높여 준다. 한국이 추진하고 있는 국제과학비즈니스벨트도 마찬가지다. 이런 대형 과학 프로젝트는 결코 전통적인 형태의 닫힌 조직으로는 진행할 수도, 성공할 수도 없다. 시작 단계부터 분업과 협업을 유기적으로 이룰 수 있는 조직을 만드는 것이 중요하다.

→한국의 국제과학비즈니스벨트에서도 핵심은 중이온가속기다. 어떻게 운용해야 경제성과 효율성을 동시에 추구할 수 있을 것으로 보나.

-사람들의 예상과 달리 CERN을 운영하는 데는 고작 일개 대학의 예산 정도만 필요하다. 60년 전 CERN이 처음 만들어질 때 채택된 예산 조달 방식 덕분이다. CERN은 비용을 균등하게 나누고, 얻어지는 이익도 함께 나누는 구조다. 무엇보다 이런 거대 작업을 통해 얻어지는 이익 자체가 상상 이상으로 크다는 점이 중요하다. 과학벨트도 가속기를 중심으로 하고 있는 만큼 한국 내 기업과 대학, 연구소는 물론 해외 투자자를 모집할 수 있다. 기초과학은 새로운 지식을 사회에 불어넣는 선순환 고리에서 핵심적인 요소다. 과학에 대한 투자는 이런 고리가 끊어지지 않도록 하는 기본적인 부분이라는 점을 잊지 말라.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr

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●롤프 디터 호이어(Rolf-Dieter Heuer)

실험입자물리학자로, 거대 가속기 건축과 운영의 세계적 권위자다. 1948년 독일 괴팅겐에서 태어났다. 슈투트가르트대에서 물리학을 전공한 후 하이델베르크대에서 박사학위를 받았다. 1984년부터 1998년까지 CERN에서 근무하며 우주입자 추적 시스템을 구축했다. 1998년 함부르크대 물리학과장을 맡으며 전자-양전자 충돌기 실험에 대한 이론을 세계 최초로 정립했다. 가속기·광 과학·입자물리학을 연구하는 독일 전자싱크로트론 연구소에서 고에너지 연구부장을 지낸 후 2007년 12월 CERN 소장으로 선출됐다. 기초기술연구회 1호 과학자문위원으로 각종 과학정책에도 조언하고 있다.

●힉스(Higgs) 입자

빅뱅 직후, 우주 만물을 이루는 16가지 입자에 질량을 부여한 것으로 추정돼 '신의 입자'로 불린다. 1964년 영국 물리학자 피터 힉스가 제안해 이름 붙여졌다. 16가지 입자가 모두 발견돼 힉스의 존재가 확인되면 현대물리학의 표준 이론이 완성된다. 만약 존재하지 않는 것으로 밝혀지면, 입자물리학은 원점으로 돌아가게 된다.

●반(反)물질·반(反)입자

물질은 원자, 원자는 입자(양성자·중성자·전자)로 구성된다. 입자와 성질이나 질량은 같지만 전하값(+ 또는 -)은 반대인 입자를 반입자(반양성자·반중성자·반전자)라고 하며, 이들로 구성된 물질을 반물질이라고 한다. 우주가 탄생할 때 같은 수의 입자와 반입자가 만들어졌지만, 현재는 자연상태에서 물질과 입자만 존재한다. 입자와 반입자는 만나면 함께 소멸하는데 반입자가 사라지고 입자만 남은 원인을 찾으면 우주 진화의 방향을 알 수 있다.

서울신문·기초기술연구회 공동기획

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