물리학자들은 미지의 과제를 어떻게 해결할까?

유럽 입자물리 연구소(CERN's)에서 입자가속기를 이용한 양자충돌 실험을 진행하는 제임스 비컴 실험물리학자는, 물리학자들이 실험을 통해 미지를 연구하는 방법을 테드(TED) 강연을 통해 설명했다. 

제임스 비컴은 프랑스와 스위스 국경에 위치한 지하 100m, 길이 27km의 터널로 구축한 실험실에서 강입자 충돌기를 이용해 양자충돌 실험을 진행중이다. 이는 역대 가장 큰 실험장비다. 

충돌기 터널에는 양성자 빔을 운반하는 2개의 파이프가 들어 있으며, 각 파이프는 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석으로 둘러싸여 있다. 

2개의 파이프에서 나온 양성자 빔은 서로 터널의 정반대 방향으로 향하게 된다. 여러 개의 추가 자석들은 빔이 4개의 교차점으로 가도록 빔을 조정하는 역할을 하며, 이 교차점에서 입자들 사이의 상호작용이 일어나게 된다.

그는 "이 실험 시설을 설계하고 건설하기까지 수십 년이 걸렸고, 전세계 수천명의 물리학자들이 참여했다"며 "2015년 여름까지 강입자충돌기(LHC)의 가동을 위해 쉴새없이 일해왔다"고 실험실에 대해 설명했다. 

이런 실험실을 만든 것은 높은 에너지 상태의 충돌을 위해서다. 새로운 입자를 발견하려면 더 크고 높은 수준의 에너지 충돌기가 필요하다. 

비컴은 양자충돌에 대해 "두 입자가 거의 광속으로 충돌할 때는 양자의 세계가 지배하게 된다"며 "이 양자의 세계에서는 두 입자가 간단히 새로운 입자를 만들어 내며, 이 입자는 감지기에 도달할 때까지의 1초 가량 짧은 순간만 존재한다"고 설명했다. 

그들은 강입자충돌기로 1000조회 이상의 양자충돌 실험을 했고, 여기서 수집되는 자료들을 연구하고 분석해 낸다. 일례로, 2012년 발견된 힉스 입자도 이런 경우다. 

그리고 그는 중력에 대해 설명한다. 현실세계는 3차원의 공간에 존재하는데, 만약 추가적인 공간의 차원이 있어 중력이 새 나가고 있다면 이라는 가설을 제기한다. 

이를 확인하기 위해서는 입자의 표준 모형을 확장시켜야 하는데, 이는 추가적인 공간 차원에 존재하는 초월 차원의 중력입자다. 

다소 어려워 보이는 설명에 비컴은 이렇게 강연을 이어갔다. 

그는 "'이런 정신나간 공상과학 이론을 어떻게 실험하겠다는 거지? 우리는 3차원 공간에 갇혀있잖아!' 라는 질문에 우리가 늘 하는 방법이 있다"며 "두 개의 양자를 서로 부딪혀 보는 것"이라고 말하며 관심을 이어갔다. 

입자를 충분히 세게 충돌시켜 혹시 존재할지 모르는 추가적 공간의 차원을 울리게 해서, 순간적으로 초월 차원의 중력을 만들어 낸다는 것이다. 이 공간은 두 개의 광자를 뱉어내고 강입자충돌기의 감지기로 돌아온다. 

이 실험의 의미는 중력의 비밀을 설명하고, 또다른 차원의 공간을 발견할 가능성을 찾는데 있다고 그는 설명했다. 

그러면서 그는 "그런데, 10년이나 20년 후에도 새 입자를 찾지 못하면?"이라는 질문을 던진다. 

그는 "우리는 더 큰 기계를 만들겁니다"라며 "100km 길이의 터널이 이미 계획돼 있고, 현재의 10배 에너지로 충돌시킬 수 있다"고 전했다. 

이어 "만약 100km 이후에도 혹은 500km 터널 이후에도, 혹은 1만km 충돌기를 지구와 달 사이의 우주에 띄운 뒤에도 새 입자를 찾지 못한다면? 그러면 아마도 입자 물리학을 잘못 이해하고 있는 거겠죠"라고 말했다. 

비컴은 우리가 완전히 새로운 방법으로 생각할 것을 주문했다. 그리고 물리학자를 비롯한 과학자들은 계속해서 답을 찾고 있는 탐험가로 비유하며 강연을 마쳤다.