업적 없는 대형 입자 가속기… 연구 개발을 지속해야 할까?

CERN 소속 LHC (대형 강입자 충돌기)… 10년 가까이 성과 없어…

암흑물질 찾을 수도 있는 LHC … 새로운 용도 발견? 

<출처: CERN>

[객원 에디터 6기 / 손석현 기자] 입자 가속기, 특히나 LHC (대형 강입자 충돌기는) 힉스 입자의 발견과 표준 모형의 완성으로 대표되는 입자 물리학의 발전에 기여해왔다. 그러나, 그 이후로 LHC는 다른 과학적 발견을 돕지 못하였고, 물리학계는 고스란히 다른 방법을 찾아 나서야 했다. 그러나 입자 가속기를 개발하는 데는 무지막지한 자본력이 들어가며, 그 외에 입자가속기를 구동하는데 드는 부수적인 비용 또한 무시할 수가 없었고, 과학자들은 입자 가속기 개발에 대해 찬반이 나뉘게 되었다.

찬성 측의 입장은 대형 입자 가속기를 개발해야 한다는 것이다. 첫째 이유는 CERN에 따르면 입자 가속기의 성능은 입자 가속기의 크기에 비례하며, 그 뜻은 대형 입자 가속기를 개발할 시 입자에 보다 더 큰 에너지를 가할 수 있다. 이는 새로운 발견의 가능성을 더 크게 하며, 결론적으로 표준 모형을 넘어선 발견이 가능케 하다는 뜻이다. 표준 모형은 80-90년대에 비해 효용성이 저하되었다 평가받으며, 결론적으로 입자물리학에서 가장 중요한 개념 중 하나인 CP 대칭성을 위반한다. 즉, 과학적으로 항상 참이 될 수는 없다는 것이다.

두 번째 이유는 밀란 대학교의 연구에 따르면, 입자 관련 실험을 원시 우주에 가까운 상태에서 실행할 수 있다는 것이다. 입자 가속기는 구동 온도가 높을수록 원시 우주의 상태와 흡사해지며, 이는 LHC의 구동 온도가 타 입자 가속기에 비해 특히나 더 높다는 점이 반증한다.

그 외에도 만물 이론에 관련된 조사가 가능한 점, 암흑 물질의 발견에 도움을 줄 수 있는 점, LHC를 개발하면서 세상이 본 부수적인 이익 (인터넷의 개발), 지역 경제 활성화 등, 대형 입자 가속기의 효용성은 표준 모형의 완성에서 끝나지 않을 것이라는 것이 찬성 측의 주장이다. 그러면 반대 측의 주장은 어떨까?

찬성 측의 주장이 대형 입자 가속기의 효용성이 미정인 상황에서 대형 입자 가속기의 미래를 낙관적으로 바라봤다면 반대 측의 주장은 대형 입자 가속기의 효용성이 미정인 상황에서 대형 입자 가속기의 미래를 불투명하게 바라본다. 정확히는 대형 입자 가속기를 사용함으로써 얻는 득보다는 실이 더 크다는 게 반대 측 과학자들의 주장이다. 

반대 측 과학자들의 첫 이유는 환경적 요인이다. LHC는 온실가스 배출이 불가피하며, 이는 지구 온난화를 가속화하는 결과를 초래한다. 또한, LHC는 방사선을 지속하여 내뿜고 구동시 심각한 소음 공해를 초래하며 이는 LHC 인근에 있는 지역 주민들에게 커다란 피해를 유발한다. 인근 주민들을 위험에 빠뜨리면서까지 더욱 대형인 입자 가속기를 개발할 필요는 없다.

두 번째 이유는 효용성에 제기된 의문이다. LHC는 구동시 2.86억 달러를 매년 필요로 하며, 프랑크푸르트 대학의 이론물리학자 사빈 하셀펠더는 이에 대해 “LHC는 세상에서 가장 비싼 실험 중 하나, LHC가 새로운 것을 발견할 가능성은 보이지 않는다”라고 입장을 밝혔다. 

또한, 존스 홉킨스 대학의 이론물리학자 자레드 카플란은 암흑 물질에 대한 연구엔 LHC를 사용하는 것보다 훨씬 값싼 방식이 많이 존재한다 주장했다. 현재 암흑 물질을 연구하는 방식으로 가장 각광받는 중력 렌즈가 그것이다. 중력 렌즈는 높은 질량이 중력을 일으켜 빛을 휘게 만드는 현상으로, 우주의 질량 다수가 암흑 물질임에 따라, 어떠한 지점에서 육안으로 물체가 확인 불가한데도 불구하고 빛이 휜다면 그 지점엔 암흑 물질이 있다고 추론할 수 있게 된다. 이 방식의 연구는 기존에 있던 우주 망원경만을 요구하며, LHC에 비해 훨씬 값싼 운용 비용을 가지고 있다.

마지막으로, 입자물리학은 만물 이론의 수많은 유력한 후보 중 하나일 뿐이지 만물 이론 그 자체에 도움을 줄 수 있다고 속단하기엔 아직 이르다. 천문학적인 예산과 최저로 사용하고 있다고는 하지만, 지나친 에너지 소비는 사회적으로 비효율적이므로 대형 입자 가속기의 개발을 중단해야 한다는 것이 반대 측의 의견이다. 

결론적으로, 입자 가속기를 둘러싼 논쟁은 입자가속기의 효용성에 대한 불확실함에서부터 시작되었다. 현재 CERN은 차세대 대형 입자 가속기, FCC를 개발하고 있으며, 이를 둘러싼 학계의 갑론을박은 지속될 전망이다.