건국대학교는 세계 최대 입자물리학연구소인 유럽핵입자물리연구소(CERN)가 거대강입자가속기(LHC)의 충돌 에너지 확충을 끝내고 올해 재가동에 들어감에 따라, 이론 물리학의 세계적 권위자인 조용민 건국대 석학교수가 예측한 물리학 역사상 최초의 위상학적 소립자이자 한국인의 이름이 붙은 첫 우주입자인‘조-마이슨 자기홀극(Cho-Maison monopole)’이 발견될 가능성이 높아졌다고 5일 밝혔다.

이 연구소는 우주 탄생의 비밀을 밝히는 열쇠로 알려진‘힉스 입자’의 존재를 입증하는 데 결정적 기여를 한 입자물리학 연구소로서 우주 생성의 근원을 밝히기 위해 2009년부터 지하 100m 깊이에 설치된 둘레 길이 27㎞의 세계 최대 입자충돌장치 LHC를 가동하고 있는데 에너지 용량을 배로 확충하기 위해 가동을 중단했던 LHC (Large Hadronic Collider)의 성능 개선 작업을 완료하고 올해 3월부터 향후 3년간의 일정으로 재가동을 시작한다고 발표했다.

CERN은 최근 개선된 LHC의 시험운전을 통해 충돌 에너지를 기존의 2배인 14테라전자볼트(TeV. 1TeV=1조eV)로 끌어올려 관측 정밀도를 10배 높였다. 이 에너지는 지금까지 어떤 입자가속기도 달성하지 못한 것으로 2012년 ‘신의 입자’에 이어 ‘조-마이슨 자기홀극’ 등 또다른 우주 탄생의 비밀을 밝혀낼지 귀추가 주목 된다.

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 강입자가속기의 에너지 업그레이드가 끝나는 올해 3월 LHC가 재가동 되면 이 자기홀극이 발견될 가능성이 매우 높다”고 밝혔다.

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.

특히 조-마이슨 자기홀극은 전자기이론이 전기약력 이론으로 통일될 때 디락의 홀극이 변해서 만들어진 것으로 디락 홀극과 맥을 같이하는 것이어서 발견 가능성이 더 높다.

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 홀극이야 말로 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.

그러나 만일 이 홀극의 질량이 7 TeV 보다 클 경우 현재의 LHC로 이 홀극을 만들 수 없기 때문에 이 경우 새로운 LHC 에너지 확충을 기다리거나 아니면 빅뱅 초기에 생성된 홀극의 잔재를 찾는 것이 유일한 방법이다.

CERN은“더 큰 에너지 용량을 갖춘 LHC가 물리학과 미래의 과학 발전을 위한 새 지평을 열 것”이라며 “자연이 우리를 위해 숨겨놓고 있는 것들을 발견하기를 기대한다”고 논평했다. 이번 재가동으로 물리학계는 조-마이슨 홀극과 함께 암흑물질, 암흑에너지, 물질-반물질 비대칭과 같은 우주의 다양한 수수께끼를 추적하는 데 큰 도움을 받을 것으로 기대하고 있다.

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