원리를 알면 과학이 쉽다! Ver 3.0



오현수    빅뱅실험으로 신의 입자 '힉스' 존재 흔적 찾았다? 2012/01/11

"LHC는 인류의 기술력 범위 안에서 우주 대폭발(빅뱅) 직후의 상황을 가장 잘 재현하는, 세계에서 가장 크고 강력한 장치로 불린다. 이날 가속기에서 서로 다른 방향으로 발사된 양성자 빔은 앞으로 빛과 가까운 속도로 서로 충돌하게 된다. 가속기에서 빅뱅 당시 상황을 재현하는 것이다.

과학자들은 지구상에서 가장 세게 양성자를 충돌시킴으로써 빅뱅 당시 충돌 속도로 추론되는 1조분의 1초를 가속기 안에서 재현할 수 있을 것으로 기대하고 있다." 그러나 빅뱅실험은 이날 양성자 발사 이후 우여곡절을 겪었다고 합니다. LHC를 가동한 지 9일만에 기계적 결함이 발견돼 운행이 전면 '중단'되고 '수리'를 거쳐 1년정도 후에 재가동됐다고 해서 입니다.

때문에 ‘인류 최대의 실험이 첫 발을 떼긴 했지만 10리도 못가서 발병 났다’는 한국 속담이 입에서 회자되고 이는 자신의 영역을 넘본 인간들에 대한 신의 '경고'가 아닌가 하는 얘기가 나오기도 했고요. 아무튼 CERN은 이 같은 난관을 딛고 그 후 대충돌 실험을 거치고 이에서 나온 데이터를 분석해 이번에 결과를 내 놓았습니다.


아래는 언론을 통해 전해진 '대충돌실험'과 관련 흥미진진한 내용을 숫자로 정리한 것입니다.

▶  1가지 못찾은 입자
이번 실험은 지구를 포함한 우주가 무엇으로 만들어졌는지 해답을 줄 것으로 기대됩니다. 우주는 산소나 수소·철 같은 금속이나 비금속으로 이뤄진 것이 아니라고 하지요. 지금까지 많은 물리학자가 모범 답안으로 꼽는 것은 17가지의 작은 입자(소립자)로 이뤄졌다는 겁니다. 이런 내용을 담은 ‘소립자 표준 모형’ 이론이 나온 이후 40년 동안 물리학자들은 16가지 입자를 모두 찾아냈습니다.

그러나 '힉스'라고 불리는 딱 1개의 입자를 찾아내지 못했습니다. 힉스는 입자의 질량을 결정하는 입자로써 빅뱅 직후 존재하다가 질량을 갖게 하는 특성을 다른 입자에 남기고 영원히 모습을 감췄다는 겁니다. 힉스를 '신의 입자' 또는‘신이 숨겨 놓은 입자’라고 지칭하는 이유입니다. 과학자들은 이번 실험을 통해 빅뱅이 재현되는 순간 검출기에 나타나는 파편 등의 궤적을 통해 힉스입자가 생성됐는지 확인하게 된다는 겁니다. 힉스라는 이름이 붙은 건 1964년 영국 물리학자 피터 힉스가 “당밀(糖蜜)처럼 움직이는 물질이 배경에 존재할 것이 틀림없다”는 가설을 제기하면서 비롯됐다고 합니다.

▶ 2개의 양성자 빔
수소에서 전자를 떼어낸 양성자의 빔 2개는 LHC 원형터널에서 서로 반대 방향으로 돌면서 빛의 99.99991%의 속도(光速)로 가속된 뒤 강력한 초전도 자석들에 의해 4개의 대형 검출실로 유도돼 정면 충돌한다고 합니다. 빛은 1초에 30만km(지구 둘레의 7바퀴 반)를 달린다고 하지요.

▶ 4개의 검출실
광속에 가까운 두 양성자 빔이 충돌하게 되면 앨리스(ALICE)와 아틀라스(ATLAS), CMS, LHCb 등 4개의 검출실에 설치된 초정밀 검출기들을 통해 수 억개의 충돌 파편들을 모니터하고 추적해 비밀에 접근하게 됩니다.

▶ 6명
지난 2008년 3월 미국의 전직 교사인 월터 와그너 등 6명은 "이번 양성자 충돌 실험으로 인해 블랙홀이 생겨날 우려가 있다"며 안전성이 확인될 때까지 LHC 가동을 막아줄 것을 요구하는 소송을 하와이 연방 지방법원에 제기했다지요. 또 최근 독일 에버하르트 칼스대의 화학자 오토 로슬러 교수 등 일부 과학자들은 LHC 실험으로 미니블랙홀이 생성되고 이 블랙홀이 지구를 집어삼킬 수 있을 정도로 커질 수 있다며 유럽인권재판소에 가동 중지소송을 제기했다고 합니다. 이에 대해 페테르 매티히 독일 소립자물리학위원회 위원장은 "LHC에서 일어나는 것과 같은 충돌은 자연 환경에서 매 초 셀 수 없을 만큼 많이 일어난다"며 "그런데도 우리가 사는 우주가 여전히 존재하고 있다는 것이야말로 위험할 게 없다는 충분한 증거"라고 말했습니다.

▶ 6~7년후
서울대 물리학과 김수봉 교수는 “LHC 실험이 예정대로 진행된다면 1년 정도의 검출기 시험을 거쳐 3~4년 안에 힉스입자가 발견될 것으로 예상된다”고 언론과의 인터뷰에서 밝혔습니다. 하지만 그는 “6~7년 후까지 힉스입자가 발견되지 않는다면 표준모델이 틀렸음을 의미하는 것으로 현대 물리학이 큰 혼란에 빠질 수 있다”고 지적했고요.

▶ 14년
LHC 건설에 걸린 기간입니다.1994년 건설이 시작됐다고 합니다.

▶ 17가지 소립자
현대 물리학이 설명하는 우주 생성의 기본인 '소립자 표준 모형이론'에 따르면 물질은 6종류의 쿼크와 6종류의 경입자, 힘을 매개하는 4가지 입자, 그리고 힉스입자로 구성된 것으로 보고 있습니다. 힉스만 뺀 나머지 16개는 다 찾아냈고요. 혹시 힉스는 신 그 자체가 아닐까요?

▶ 27km
지하 100m에 건설된 LHC 원형 터널의 지름입니다. 자전거로 한바퀴 돌려면 상당한 시간이 걸리겠네요. 양성자 빔이 처음 발사된 후 이 터널을 한바퀴 도는데 걸린 시간은 52분이라고 합니다.

▶ 75%
LHC 실험의 첫째 목표는 힉스입자를 찾는 것이고 두 번째는 각각 우주의 75%와 20% 정도를 차지하고 있지만 여전히 정체가 밝혀지지 않고 있는 ’암흑물질’과 ’암흑에너지’를 탐색하는 겁니다.

▶ 100m
LHC는 지하 100m깊이에 건설됐다고 합니다. 아주 깊은데서 팠네요.

▶ 100달러
저명한 우주물리학자 스티븐 호킹 박사는 LHC 가동을 하루 앞둔 2008년 9월 9일 “힉스 입자가 발견되지 않는다는 데 100달러를 걸었다”고 말해 화제가 됐지요. 초를 친 건가요?

▶ -271도
CERN은 이번 실험을 위해 LHC를 이루는 8개 구역을 섭씨 영하 271.1도(절대온도 1.9K)로 냉각시켜 우주 외곽의 환경을 만들었다고 하지요. 우주 공간의 온도는 이보다 높은 섭씨 영하 271도라고 합니다.

▶ 300메가바이트
LHC에서 양성자 빔이 발사되는 순간부터 생성되는 정보의 양은 1초당 300MB(메가바이트)에 이른다고 합니다. 하드디스크 120GB(기가바이트)의 컴퓨터라면 4백21초(7분12초)만에 꽉 차 버리게 됩니다.

▶ 600㎞ 이상 CD를 쌓는 정보량
CERN에서 7년째 연구를 하고 있는 한국인 과학자 노상률 박사는 "실험이 시작 된 후 1년 동안 수집되는 정보량은 CD를 쌓는다면 지상에서 600㎞이상의 높이(2천만장)에 이를 정도"라고 말했습니다. 이 정보는 전 세계 140여 개 대학 및 실험실의 컴퓨터로 보내져 분석된다고 합니다.

▶ 2,000배
CERN의 한국인 과학자 노상률 박사는 "27㎞에 이르는 LHC 터널은 1990년대에 전자와 양전자 충돌실험을 하기 위해 만든 것이다. 이 것을 양성자 충돌실험을 위해 전환하느라 모든 초전도 자석들을 바꾸었다. 양성자의 질량은 전자의 2000배에 이르고 있어, 양성자를 원형터널에서 돌리는 것은 전자를 돌리는 것과는 엄청난 차이가 있다. 이를 위해 초전도 자석들을 만드는 것만도 오랜 시간이 걸렸다"고 연합뉴스와의 인터뷰에서 밝혔습니다.

▶ 10,000명
빅뱅 재현의 실험에 참여한 전세계 과학자 수입니다. 한국에서도 고려대 박성근 교수 등 57명이 참여하고 있다지요.

▶ 9500,000,000(95억)달러
LHC 건설에 투입된 돈의 규모입니다.100억달러를 넘지는 않았네요.

▶ 13,900,000,000(139億)년
LHC는 139억년 전 우주를 탄생시킨 빅뱅 직후 1조분의 1초 상황이 재현된다고 합니다.

▶ 1,000,000,000,000(1兆)분의 1초
노상률 박사는 "두 양성자의 본격적인 충돌실험을 하려면 7테라 전자볼트(전자를 1조볼트로 가속시킬 때 전자가 갖는 에너지)가 필요하다. 첫날은 450기가(G) 전자볼트를 사용했다. 양성자가 7테라 전자볼트 정도의 엄청난 에너지를 가질 때 힉스입자와 같은 입자들이 나올 수 있다. 이번 실험은 빅뱅이 발생한 지 1조분의 1초 상태를 재현하고자 하는 것이다. 그 짧은 순간은 에너지가 아주 높은 상태로서 힉스 입자나 다른 물질들을 만들어 낼 수 있었을 것이다"고 설명했습니다.

▶ 빅뱅실험으로 신의 입자 '힉스' 존재 흔적 찾았다.
우주의 탄생 비밀을 밝혀줄 '신(神)의 입자'의 흔적이 발견됐다. 현대 물리학의 근간인 '표준모형'을 완성할 마지막 조각 힉스(higgs)입자 발견이 가시화하면서 세계 물리학계가 흥분하고 있다.

스위스 제네바에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN) 소속 과학자들은 13일 오후(현지시간) 세미나를 열고 힉스 입자의 존재를 시사하는 근거를 찾았다고 밝혔다. AP는 "충분한 데이터가 쌓이는 내년이면 힉스의 존재 여부를 확실히 알 수 있을 것"이라고 전했고, 영국 BBC 방송도 "힉스 입자의 모습이 희미하게 드러났다"고 보도했다.

미국, 유럽 등 국제공동연구진은 대형강입자충돌기(LHC)에 설치한 두 검출기(CMS, ATLAS)로 실험한 연구결과를 발표하면서 힉스 입자가 존재할 확률이 최소 95% 이상이라고 밝혔다. ATLAS팀은 126Gev(기가전자볼트)에서 2.3시그마(98%)의 확률로, CMS팀은 124Gev에서 1.9시그마(95%)의 확률로 힉스가 존재할 수 있다고 발표했다.






     
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