이 세상 기술이 발전한 것은 여러 발견들이 있었지만 그중에서도 물질을 작은 단위인 원자와 분자 단위까지 확인하게 되면서 많은 과학적 지식을 발견할 수 있었을 것입니다. 원자와 분자뿐만 아니라 현재는 핵과 양자로 대변되는 더 작은 물질들까지도 연구가 되고 있는데 양자에 관한 물리학적인 지식은 사람들의 상식을 벗어나게 하는 경우가 많아 연구에 많은 어려움이 있다고 합니다.
거대 가속기 건설은 참조 신비의 베일을 벗기려는 노력
우주는 어떻게 생겨난 것일까? 우주탄생에 대한 내용들은 창조론자든 진화론을 주장하는 사람이든 간에 여전히 궁금한 것은 사실이다. 그러나 아직 인간은 이에 대한 명확한 해답을 갖지 못하고 있고 다만 해답을 찾기 위해 많은 노력을 경주하고 있을 뿐이다. 물질을 구성하고 있는 기본입자는 어떤 것인가에 대한 끊임없는 과학자들의 질문과 탐구로 현재 기본입자에 대한 내용은 분자와 원자의 존재를 넘어 쿼크라는 입자도 밝혀 낸 상태다. 그렇다면 어떤 과정을 통해 원자나 쿼크라고 하는 입자들을 알아낼 수 있었을까?
바로 이때 결정적인 역할을 하는 것이 가속기다. 물질이 하나의 덩어리로 이루어진 것이 아니라 작은 입자들이 모여 이루어진 존재라는 것은 재론의 여지도 없는 내용이고 과연 어떤 성질을 가진 얼마나 작은 입자로 구성되어 있느냐 하는 점이 중요한 것이다. 현 수준의 가속기가 원자와 쿼크 정도의 입자를 밝혀냈다면 작은 소립자들을 더 빠른 속도로 충돌시기면 가장 작은 수준을 찾을 수 있을지도 모른다. 때문에 충돌속도를 가속화하는 데 사용되는 가속기의 크기나 성능의 향상이 요구되는 것이다. 만약 거대 가속기로 인해 어떤 물질이 구성되기 이전 입자만 우주를 떠 다니는 상태를 재현해 낼 수 있다면 이는 우주의 기원 규명에 한 발짝 더 다가간 획기적인 일이 될 것이다.
쿼크가 정말 가장 작은 입자인가?
기자가 학교에 다닐 때만 해도 가장 작은 물질 구성요소는 원자라고 배웠다. 그러나 이것은 지금의 물리학 수준에서 생각해 보면 우스운 일이 아닐 수 없다. 과학은 시간이 지남에 따라 새로운 사실이 자꾸 밝혀져 지나간 지식은 때론 아무 쓸모가 없어져 버리기도 한다. 현재는 원자나 중간자보다 더 작은 쿼크와 렙톤이라는 이름의 소립자가 있다는 것이 거의 사실로 밝혀졌다. 그렇다면 쿼크는 무엇이고 렙톤과는 또 어떻게 다를까? 쿼크는 아직까지 하나도 발견되지 않았는데 이는 쿼크 자체가 가진 특유의 성질 때문이다. 쿼크는 1개가 독단적으로 존재하는 것이 아니라 여러 개의 쿼크가 모여 다른 성질의 입자를 이루고 있다. 덧붙여 한 가지 밝혀 둘 것은 전자는 아직까지 기본입자로 생각하고 있다. 바로 이 전자가 렙톤 쪽에 가까운 입자라고 할 수 있는데 렙톤이 란 가벼운 입자라는 뜻으로 그리스어에서 유래되었다. 렙톤이 가벼운 입자를 지칭하는데 비해 무거운 입자는 무엇일까? 이에 해당하는 그리스어는 바리몬이다. 앞에서도 밝혔듯이 쿼크는 여러 개가 모여 다른 입자를 구성하는데 양성자도 3개의 쿼크가 모여 하나의 양성자가 된다. 그래서 양성자를 바리몬이라 부르는 것이다. 보통 우리들이 생활에서 접하게 되는 모든 물질들은 궁극적으로는 쿼크와 렙톤으로 이루어져 있다고 볼 수 있다. 그림을 통해서 보면 위에서 간략하게 설명한 물질구성의 계층 구조가 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 이처럼 물질은 몇 가지 구성 단계를 거치는데 이는 각각의 요소들이 결합될 때는 에너지가 요구된다는 결론이 도출된다. 다시 역으로 생각해 보면 현재 하나의 형태를 이루고 있는 물질들을 분해함으로써 200억 년 전에 우주가 처음 생겼을 때 떠다니던 입자들을 가속기를 이용하여 얻게 된다고 볼 수 있다.
텔레비전의 브라운관도 가속기
우주 기원에 대한 연구용 외에도 가속기는 우리의 생활에서 아주 밀접하게 이용되고 있다. 우리가 매일 저녁 보고 있는 TV의 브라운관도 가속기의 일종이다. 텔레비전의 영상을 그려내는 브라운관은 진공 상태로 되어 있어 브라운관 내의 전극 필라멘트가 가열되면 전자가 밖으로 튀어나오게 된다. 이 상태에 고전압이 흐르면 전자는 일정 방향으로 가속되고 이 전자가 형광물질을 바른 스크린에 부딪히면 형광물질 속의 원자를 건드려 형광반응을 일으킨다. 즉 광자를 만들어 내는 셈이 된다. 이렇게 가속기는 우리 주변에서도 쉽게 찾을 수 있다.
새로운 가속기가 새로운 입자를 밝혀 낸다.
물리학자들은 가속기를 천문학자들의 망원경에 견주어 말하곤 한다. 현재 가장 거대한 가속기는 유럽의 14개국이 공동출자해 작년 8월 초에 7년 동안 10억 달러라는 어마어마한 돈을 들여 건설한 거대 전자 양자충돌기가 바로 그 주인공이다. 이에 맞서 미국에서는 텍사스 주의 왁사하치라는 지역에 최첨단 초전도 가속기의 건설을 계획하고 있다. 여기에 소요되는 비용도 엄청나 유럽의 4배가 넘는 44억 달러(약 4조 원)가 들 것이라고 예측한다. 둘레 만도 53마일(약 85Km)이 나 된다고 한다. 미국 자체 내에서도 한쪽에서는 실생활에 직접 도움이 안 되는 연구에 너무 많은 비용을 너무 일찍 소모하는 것이 아니냐는 비판이 일고 있기는 하다. 사람들의 더 나은 생활을 위해 과학적으로 산적한 문제들을 해결하기도 벅차다는 의견들이다. 이런 논쟁에 대해 들으면서 우리의 과학 수준은 어느 정도에 이르고 있으며 어떤 방향으로 가고 있는가에 대한 심각한 자기반성 이 요구된다는 생각과 함께 바로 이 때문에 떠오르는 발인 마이컴 독자 여러분들의 끊임없는 탐구정신과 노력이 어느 때보다 더 절실하게 요구되는 시점이라 하겠다.
과학이라는 것은 새로운 것이 발견될 때마다 과거의 지식이 완전히 틀린 것이 되기도 하는데 이는 컴퓨터가 발달하면서 많은 부분이 그랬었습니다. 이처럼 앞으로도 많은 것이 발견될 텐데 이러한 역할에 컴퓨터와 사람이 조화를 이루어 열심히 해나가면 좋을 것 같습니다.
