세계 최대 입자물리학연구소인 유럽핵입자물리연구소(CERN)가 최근 대형 강입자가속기(LHC) 재가동을 시작하면서 조용민 건국대학교(총장 송희영) 석학교수가 예측한 물리학 역사상 최초의 위상학적 소립자인 '조-마이슨 자기홀극' 발견 가능성에 관심이 쏠리고 있다.
이 연구소는 우주 탄생의 비밀을 밝히는 열쇠로 알려진 '힉스 입자'의 존재를 입증하는 데 결정적 기여를 한 입자물리학 연구소다. 우주 생성의 근원을 밝히기 위해 2009년부터 지하 100M 깊이에 설치된 둘레 길이 27㎞의 세계 최대 입자충돌장치 LHC를 가동하고 있는데 지난해 2월 에너지 용량을 배로 확충하기 위해 가동을 중단했던 LHC (Large Hadronic Collider)의 성능 개선 작업을 완료하고 3월말부터 재가동을 시작한다.
LHC는 스위스 제네바와 프랑스 접경지대 지하에 만들어진 역사상 최대 입자가속기다. 트랙 길이가 총 27km에 달한다. 입자가속기는 양성자·전자를 가속해 운동에너지를 갖게 한 뒤 이를 충돌시켜 고에너지 상태를 만드는 기계다. LHC에서는 각 입자가 빛의 속도로 날아다닌다.
CERN은 최근 개선된 LHC의 시험운전을 통해 에너지를 재가동에 필요한 수준인 6.5테라볼트(Tev)로 끌어올리는데 성공하고 내년에는 에너지를 그 2배 수준인 14TeV로 끌어올렸다. 이 같은 에너지는 지금까지 어떤 입자가속기도 달성하지 못한 것으로 첫 충돌 실험이 이뤄지면 더 많은 우주의 비밀이 밝혀질 것으로 예상된다.
조용민 건국대 석학교수는 "CERN 에서 미국 영국 독일 이태리 등 전 세계 20여 대학 및 연구소가 공동으로 7번째 검출기 MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at LHC)을 만들어 조-마이슨 자기홀극 (Cho-Maison monopole) 을 발견하기 위한 실험을 하고 있는데 강입자가속기 LHC가 재가동을 시작하면서 이 자기홀극이 발견될 가능성이 매우 높다"고 밝혔다.
CERN의 ‘조-마이슨 홀극’ 탐색은 LHC의 재가동을 보도하는 외신에서도 많은 관심을 보이고 있다. 블룸버그통신 등은 세계 최대 강입자가속기(LHC)의 재가동을 소개하고 일명 ‘신의 입자’라 불렸던 ‘힉스 입자’를 증명한 데 이어 이번에는 우주의 ‘암흑 물질’ 발견이 목표라고 보도했다.
한국인 과학자의 이름을 붙은 새로운 입자를 찾는 실험도 계획돼 있다. 조용민 건국대 석학교수가 이론화해 예측한 ‘조-메이슨(Cho-Maison) 자기홀극’이다. 자기홀극은 자석의 N·S극 중 하나만 존재하는 자석 입자로, 조-메이슨 자기홀극은 이에 대한 이론적 모형 중 하나다.
조 교수에 따르면 지금까지 이 홀극이 발견되지 않았던 이유는 LHC 에너지가 낮아 이 홀극을 만들 수 없었기 때문이다. 조 교수의 계산에 의하면 이 홀극의 질량이 약 4 에서 10 TeV 정도가 되는데 이 홀극은 N 극과 S 극이 쌍으로 만들어 져야 하므로 이 홀극을 만들기 위해서는 약 8 에서 20 TeV 의 에너지가 필요하다. 그런데 내년 3월 LHC 에너지가 14 TeV 까지 도달하게 되면 이 홀극의 질량이 7 TeV 이하가 될 경우 LHC에서 이 홀극을 만들 수 있기 때문이다.
조 교수는 "'신의 입자'로 불리는 힉스입자 발견이 주목받은 이유는 이 힉스입자 발견으로 전자기력과 약력을 통합한 표준모형이 완전히 검증된 것이라고 보았기 때문"이라며 "표준모형이 맞다면 조-마이슨 자기홀극은 반드시 존재해야 하므로 이 홀극의 발견이야 말로 표준모형의 마지막 검증이 되는 만큼 힉스입자의 발견보다 훨씬 더 중요하다"고 말했다. 이 홀극은 인간이 발견할 수 있는 유일한 홀극으로 표준모형에서 반드시 나와야 하는 입자이기 때문이다.
조 교수는 "힉스 입자를 신의 입자라고 말하고 있지만 이 홀극은 발견 된다면 물리학 역사상 처음으로 나오는 위상학적 소립자(topological elementary particle), 다시 말해 족보가 완전히 다른 소립자가 됨으로 이 홀극이야말로 인간이 지금까지 보지 못했던 진정한 신의 입자가 될 것"라고 말했다.
조 교수는 또 "이 홀극의 발견은 그 강도가 전자의 약 100배이고 질량이 전자보다 약 1,000만 배 무거운 새로운 형태의 소립자의 발견을 의미한다"며 "이러한 입자는 그 응용 가능성이 많은 만큼 실생활에 커다란 파급효과를 줄 것"이라고 말했다.
[저작권자ⓒ 대학저널. 무단전재-재배포 금지]
