1983년에 W 보존과 Z 보존을 발견한 대담한 충돌기 실험의 리더인 Carlo Rubbia는 입자 물리학자들이 이제 혁신적인 "힉스 공장"에서 뮤온을 함께 분쇄해야 한다고 생각합니다.
지난 7월 독일에서 열린 제69회 린다우 노벨상 수상자 회의에서 강연하고 있는 카를로 루비아.
린다우 프레스
소개
모든 세상은 알려진 17개의 기본 입자로 구성되어 있습니다. Carlo Rubbia는 그 중 두 개를 발견한 팀을 이끌었습니다. 1984년에 루비아는 그 전해에 W 보존과 Z 보존을 밝혀낸 실험에 “결정적인 공헌”을 한 공로로 시몬 반 데르 미어와 함께 노벨 물리학상을 받았습니다. 이 입자는 방사성 붕괴를 일으키는 약력이라는 네 가지 기본 힘 중 하나를 전달합니다.
Rubbia는 고에너지 입자 충돌의 혼란 속에서 W 및 Z 보존의 흔적을 찾는 제네바 근처 CERN 연구소의 대담하고 야심찬 프로젝트인 Underground Area 1(또는 UA1)이라는 실험을 실행했습니다. 수천억 개의 양성자와 반양성자가 빛의 속도에 가깝게 가속된 후 서로 충돌했습니다. 당시에는 물질과 접촉하면 빠르게 스스로 파괴되는 습성을 지닌 반양성자가 대량으로 생산된 적이 없었다. Rubbia의 동료 중 일부는 반물질이 이러한 방식으로 제어하기에는 너무 불안정하다고 믿고 대체 충돌기와 탐지기 설계를 선호했습니다.
"우리는 엄청나게 다양한 아이디어를 가지고 있었습니다. 경쟁이 심했지만 동시에 두 가지 일을 할 수는 없었습니다."라고 Rubbia는 말했습니다. 결국 UA1이 승리해 승리를 거두었습니다.
30여년이 지난 지금, 입자물리학은 다시 한번 기로에 섰습니다. 다음에 어떤 대규모 입자 충돌기 실험을 구축할지에 대한 결정이 내려질 것입니다. 만약 실제로 구축된다면 말이죠. CERN의 LHC(Large Hadron Collider)는 완벽하게 작동했지만 충돌로 인해 예상된 17개 이상의 새로운 입자의 징후가 나타나지 않았습니다. 입자 물리학의 표준 모델에 의해 특성과 상호 작용이 설명됩니다. 이 모델은 입자의 행동에 대해 믿을 수 없을 만큼 정확한 예측을 제공하지만, 우리 세계에 대한 불완전한 설명이기도 합니다. 여기에는 중력이나 암흑 물질(천문학자들이 일반 물질보다 약 5배 더 풍부하다고 간주하는 신비한 물질)이 포함되지 않거나 우주의 물질-반물질 불균형을 설명하는 데 실패합니다. 더욱이 많은 이론가들은 왜 쿼크와 렙톤이 세 가지 족으로 구성되어 있는지, 그리고 입자의 질량을 결정하는 요소가 무엇인지와 같은 기본 진리를 표준 모델이 설명할 수 없다는 점에 대해 불안해하고 있습니다.
85세의 나이로 이 분야의 최전선에 있는 Rubbia는 LHC 데이터에 "새로운 물리학"이 없다는 사실에 당황하지 않습니다. 그는 동료들에게 더 많은, 더 나은 데이터를 찾기 위해 계속 노력하고 답이 올 것이라고 믿으라고 촉구합니다. 표준 모형 퍼즐의 17번째 조각인 힉스 보존은 2012년 LHC에서 구체화되었으며 이제 Rubbia는 최첨단 '힉스 공장'을 통해 그 특성을 심층적으로 탐구하고자 합니다.
이를 수행하는 최선의 방법은 둘레 100km의 원형 전자-양전자 충돌기부터 빠르게 가속되는 플라즈마 파동에서 전자가 "서핑"하는 탁상 실험인 플라즈마 웨이크필드 가속기에 이르기까지 경쟁 설계와 함께 여전히 논쟁의 여지가 있습니다. Rubbia에게 선택은 분명합니다. 혁신적인 뮤온 충돌기는 다른 실험에 비해 훨씬 짧은 시간과 비용으로 깨끗한 조건에서 수천 개의 힉스 보손을 생성할 수 있다고 말합니다. 뮤온은 전자처럼 단순하지만 훨씬 무거워서 더 높은 에너지의 충돌이 가능합니다. 비평가들은 그러한 기계가 현재의 기술 능력을 훨씬 뛰어넘는다고 말합니다. 그러나 기술적인 문제일 수도 있지만 뮤온 충돌기는 표준 모델을 넘어서는 새로운 입자의 증거를 잠재적으로 발견할 수 있는 정밀 기기의 가능성을 제공합니다.
Rubbia는 1989년부터 5년간 사무총장으로 재직하는 것을 포함하여 오랜 경력의 대부분을 CERN에서 보냈습니다. 그는 또한 양성자 붕괴의 징후를 찾고 있는 그의 모국인 이탈리아에 있는 Gran Sasso 국립 연구소에서 리더십 역할을 맡았습니다. (만약 본다면 이는 표준 모델을 넘어서는 물리학에 대한 단서를 제공할 것입니다.) 엔지니어이자 끊임없는 발명가인 Rubbia는 지난 30년 동안 입자 가속기에 의해 구동되는 원자력 발전소와 같은 근본적으로 새로운 에너지원을 추구해 왔습니다.
퀀타 지난 달 독일에서 열린 제69회 Lindau 노벨상 수상자 회의에서 Rubbia를 따라잡았습니다. 그곳에서 그는 전 세계 수백 명의 젊은 과학자들에게 연설하면서 뮤온 충돌기가 우주의 기본 구성 요소에 대해 더 많이 배울 수 있는 최선의 방법이라고 주장했습니다. 날카로운 파란 눈을 가진 깔끔한 옷차림의 그는 무대 위에서나 밖에서나 열성적으로 이야기했습니다. 인터뷰 내용은 명확성을 위해 요약 및 편집되었습니다.
당신은 W 보존과 Z 보존을 발견했습니다. 이것이 왜 중요한 발견이었나요?
하! 그런 질문은 들어본 적이 없어요! 입자 가속기는 근본적으로 호기심을 기반으로 하는 과학 프로그램의 필수적인 부분입니다. 그리고 W와 Z 보존의 발견은 입자 물리학의 오랜 역사에서 하나의 결론이었습니다. 쿼크나 렙톤과 같은 물질의 입자가 있고 이는 실험적으로 합리적으로 잘 해결되었지만 힘, 즉 물질 입자 사이의 상호 작용을 매개하는 입자에 대한 문제는 아직 이해되지 않은 문제였습니다.
이제 W와 Z는 많은 사람들에 의해 가정되고 논의되었지만 실험적 실현에는 적어도 당분간은 매우 높은 에너지가 필요했습니다. 이러한 근본적인 선택은 개인이 아닌 자연에서 나온다는 사실을 잊지 마세요. 이론가들은 자신이 원하는 대로 할 수 있지만 결국 결정하는 것은 자연입니다.
7월 린다우 회의에 참석한 루비아(왼쪽).
Quanta Magazine의 Thomas Lewton
그렇다면 어떻게 그렇게 높은 에너지를 만들어냈나요?
우선 우리는 단일 가속기를 사용하는 대신 충돌 빔 기계를 구성하는 방법을 배워야 했습니다. 그래서 우리는 입자와 반입자를 주입할 수 있도록 CERN의 기존 원형 가속기를 수정했습니다.
반양성자 축적 문제는 심각한 문제였습니다. 왜냐하면 몇 년 전에는 버클리에서 반양성자가 거의 발견되지 않았고 소수의 입자만 만들었기 때문입니다. 여기서 우리는 매일 아침 천억 개의 입자를 만들어야 했습니다. 그뿐만 아니라 원형가속기 내부에 들어갈 수 있도록 엄청난 양의 냉각을 시켜야 했습니다. 저는 Léon Van Hove, John Adams 및 다른 사람들의 엄청난 도움과 지원을 인정해야 합니다. 그들이 없었다면 불가능했을 것입니다.
몇 년 후, 우리는 결국 W와 Z의 에너지 영역에 들어섰고 실제로 그들은 거기에 있었습니다! 그러나 양성자-반양성자 충돌은 매우 복잡한 충돌이었습니다. 다른 많은 상호 작용이 일어나고 있었기 때문에 우리는 더 나아갔습니다. 우리는 CERN 시설을 양성자-반양성자 충돌기에서 전자-양전자 충돌기로 전환했으며 새로운 링인 27km 길이의 대형 전자-양자 충돌기 실험을 만들었습니다. 이로 인해 완벽하고 깨끗한 상태의 수만 개의 W 및 Z 보존이 생성되었습니다. 이는 더 많은 노벨상을 낳았고 W와 Z의 이야기를 완성했습니다. 물론 이제 누락된 조각이 하나 더 있는데 바로 힉스 보존입니다.
그런데 우리는 이미 힉스를 발견하지 않았나요?
네, 그게 6년 전이었어요. 이제 문제는 깨끗한 환경에서 어떻게 힉스 보존을 풍부하게 생성할 수 있는가 하는 것입니다. 그리고 여기에는 참신함이 필요합니다.
힉스(Higgs)는 우리가 자연의 기본 힘 중에서 가지고 있는 최초이자 유일한 스칼라 입자입니다. 즉, 크기만 있고 방향은 없습니다. 모든 입자는 서로 다른 이야기를 갖고 있으므로 이를 자체적으로 연구하고 이해해야 합니다. 다른 힘과 달리 힉스 장은 선호하는 방향이 없으며 거울에 반사해도 동일하게 보입니다. 이를 이해하는 것은 적어도 W와 Z를 관찰하는 것만큼 중요하며, 이것으로 표준모형의 기본 입자에 대한 이야기를 마무리할 것입니다.
'힉스 공장'에 시간과 자원이 집중되어야 한다는 데 모든 사람이 동의하는 것은 아닙니다. 그들은 새로운 입자를 찾기 위해 다음 에너지 개척지로 나아가는 것이 우선순위가 되어야 한다고 말합니다.
전자와 양전자를 충돌시키기 위해 대형 강입자 충돌기 크기의 3배에 달하는 원형 기계를 만들 수 있습니다. LHC를 업그레이드하거나 차세대 선형 가속기를 구축할 수도 있습니다. 더 높은 에너지를 조사하는 것은 새로운 물리학의 희망을 제공합니다. 그것은 초대칭일 수도 있고, 다른 것일 수도 있습니다. 무엇인지는 모르겠습니다. 그러나 더 높은 에너지를 탐구하기 전에 뮤온 충돌기를 만들고 먼저 힉스의 문제를 명확히 하는 것이 합리적입니다. 여기에 우리가 탐구하고 싶은 입자가 이미 있습니다. 우리는 힉스를 매우 정확하게 연구함으로써 새로운 물리학의 징후를 발견할 수도 있습니다. 그러기 위해 우리는 둘레 100km의 터널에 갈 필요가 없습니다. 100km를 걷는 데 며칠이 걸리는지 생각해 보세요! 그리고 모든 것이 매우 기능적이어야 하고, 모든 단일 부품이 작동해야 합니다. 사람들이 그것을 작동시키는 데 성공한다면 그것은 기적입니다.
1950년대에 엔리코 페르미(Enrico Fermi)는 2000년이 되면 가속기 링이 지구의 둘레를 갖게 될 것이라고 말했습니다. 물론 터무니없는 말이지만 요점이 있습니다. 달성할 수는 있지만 20~30년이 걸릴 마스토닉의 거대한 장치를 실현하기 위해 자원을 투입해야 할까요? 힉스 입자를 발견하는 데는 100억 유로, 20년이 걸렸습니다. 따라서 더 나아가고 싶다면 비용이 더 많이 들고 복잡해질 것입니다.
해결책이 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다:뮤온 쌍을 만드는 것입니다. 뮤온 실험은 LHC 크기의 1/100인 작은 고리입니다. 이는 기존 가속기에서 수행될 수 있습니다. CERN과 유럽 파편 발생원 모두 충분한 수의 뮤온을 만들기에 충분한 양성자를 생산할 수 있습니다.
쉽게 들리네요! 기존 입자 충돌기에서 사용할 수 있도록 좁은 뮤온 빔을 생성하는 것, 즉 "냉각"하는 것은 여전히 매우 어렵지 않습니까?
예, 엄청난 도전이 있지만 제 생각에는 상당한 위험을 나타내는 중대한 일은 없습니다. 우리는 매우 작은 규모로 수행되는 소위 초기 냉각 실험을 제안했으며, 여기서 모든 기본 아이디어를 구축하기 시작할 것입니다. 뮤온 냉각의 거동에 대한 많은 테스트와 검증이 필요하지만 몇 년 안에 완료될 수 있습니다.
그런 다음 거기에서 큰 기계로 이동하는 것은 기존 기술을 사용하여 수행할 수 있는 작업입니다. 그리고 그것은 상대적으로 적은 비용으로(물론 똑똑한 사람들에 의해) 합리적으로 짧은 시간에 이루어질 수 있습니다. 해야 할 일이 많지만, 개선을 위해 새로운 일을 하는 것이 무슨 문제인가요?
예상되는 힉스 보존 외에 새로운 입자가 LHC에 나타나지 않았다는 점을 고려하면, 다음 가속기가 새로운 물리학을 발견할 가능성은 얼마나 됩니까?
사실 가속기뿐만 아니라 다른 흥미로운 실험도 있습니다. 예를 들어 남극에서 진행 중인 중성미자 실험은 더 크고 복잡한 가속기 시스템을 만드는 데 대한 새로운 대안이 되고 있습니다. 그리고 저는 둘 사이의 경쟁이 매우 생산적이라고 생각합니다. 이는 앞으로 몇 년 동안의 결과를 만들어 낼 것입니다.
CERN의 입자 물리학의 미래에는 LHC 프로그램 종료 이후 아직까지 새로운 대안이 포함되지 않는다는 점이 약간 걱정됩니다. 제가 CERN에서 활동을 담당했을 때 하나의 기계가 있을 때마다 다음 기계도 등장했습니다. 우리는 더 용기를 갖고 대안에 대해 집단적으로 동의해야 합니다.
파시즘 치하에서 성장하고 제2차 세계대전을 겪은 것이 당신의 삶에 어떤 영향을 미쳤나요?
그 당시 유럽이 어땠는지 모르실 겁니다. 제가 4살이었을 때 아버지가 만든 라디오가 있었던 기억이 납니다. 당시 라디오는 안테나와 기타 모든 기능이 포함된 매우 복잡한 시스템이었습니다. 그리고 우리는 라디오에서 히틀러가 외치는 소리를 들었습니다. 그리고 전쟁이 발발했습니다. 몇 년 만에 8,800만 명이 사망했습니다. 우리 모두는 이 끔찍한 상황에 노출되어 있었고, 이는 우리를 완전히 제로 상태로 만들었습니다. 그리고 나서 우리는 재건해야 했습니다.
그런데도 당신은 모든 일에 있어서 낙관적인 태도를 취하는 것 같습니다.
아, 네, 저는 매우 낙관적이에요. 낙관하지 않을 수는 없습니다. 이런 복잡한 역사의 우여곡절 이후에는 낙관주의가 가장 중요했고, 그 이후로 유럽은 눈부신 발전을 이루었습니다. 과학을 통한 유럽의 통합은 경이롭습니다. 서로 미워하고, 싸우고, 전쟁하는 단일 국가에서 유럽 내에서 완전한 합의가 이루어지는 상황으로 넘어가는 것은 매우 중요한 성공입니다.
CERN 연구소의 카를로 루비아(Carlo Rubbia)는 1984년에 W 보존과 Z 보존을 발견한 실험을 이끈 공로로 노벨 물리학상을 수상했습니다.
키스톤 프레스 / Alamy 스톡 사진
1960년 CERN으로 이사하기 전까지 미국에서 몇 년 동안 연구를 하셨습니다. 유럽으로 다시 돌아오게 된 계기는 무엇입니까?
나는 유럽의 본성을 완전히 포기하고 미국 시민이 될 준비가 되어 있지 않았기 때문에 CERN에서 일하고 싶었습니다. 많은 유럽 동료들이 미국으로 이주하여 합법적이고 완벽하게 받아들여지는 미국 시민이 되었습니다. 하지만 저는 제 방식대로 하는 걸 좋아해서 다시 돌아오고 싶었어요. 유럽은 발전이 가능한 곳이라고 느꼈거든요. 실제로 지난 수십 년 동안의 입자 과학은 유럽적이었습니다.
입자물리학 외에도 지속 가능한 에너지 기술을 추구하는 데에도 깊이 관여해 오셨습니다. 왜 그럴까요?
내 생애 동안 지구의 인구는 3배 반으로 늘어났지만, 주요 에너지 사용량은 12배로 늘어났습니다. 그리고 오늘 태어난 아이들이 우리보다 12배 더 많은 에너지를 소비할 수 있는 방법은 없습니다. 따라서 지속 가능한 에너지는 중요한 문제이며, 이를 해결할 수 있는 새로운 방법이 있다는 사실이 매우 흥미롭습니다.
어떤 참신한 방법으로 돈을 투자하시겠습니까?
우리에게는 재생 가능 에너지와 화석 연료가 있고, 약간의 원자력도 있습니다. 이 중에서 천연가스는 매우 풍부합니다. 일반 가스도 있지만 셰일 가스도 있고, 포접 가스도 있습니다. 아마도 여러분은 이 사실을 모르고 계실 것입니다. 천연가스와 물이 결합된 바다 깊은 곳에서 발견되며, 기존 천연가스보다 그 양이 10배 더 많습니다. 그래서 우리는 수천 년 동안 사용할 수 있는 충분한 천연가스를 보유하고 있습니다.
물론, 천연가스는 이산화탄소를 발생시킵니다. 이것이 오늘날 모든 사람이 갖고 있는 가장 큰 걱정입니다. 그렇다면 어떻게 이산화탄소를 배출하지 않고 이런 것들을 생산할 수 있을까요? 음, 우리는 메탄을 섭취하고, 이산화탄소를 생성하는 대신 흑탄소와 수소를 생성함으로써 이산화탄소 배출을 방지할 수 있는 방법을 개발했습니다. 원칙적으로 이러한 분해는 섭씨 2,000도 정도의 매우 높은 온도에서 발생하므로 사용이 불가능하지만, 이러한 새로운 금속을 사용하는 새로운 방법을 사용하면 1,000도에서도 분해가 가능합니다.
당신은 종종 획기적인 기술을 추구하는 것 같습니다.
실험물리학은 호기심에 기반한 관찰을 기반으로 합니다. 다른 사람들이 하는 일을 절대로 해서는 안 됩니다. 자신만의 실수를 저지르고 상황을 수정할 수 있기 때문에 뭔가 독특한 일을 해야 합니다. 올바른 해결책을 찾기 전에 마음을 25번 바꿔야 합니다. 이것이 제가 이 분야를 진행하는 일종의 실용적인 방법입니다.
여기 Lindau에서 당신은 수백 명의 젊은 과학자들에게 당신의 연구와 미래에 대한 아이디어에 대해 이야기하고 있습니다. 그들에게 무엇을 전하고 싶나요?
젊은 과학자들은 내 의견 없이도 스스로 할 수 있는 일을 충분히 갖고 있습니다! 우리는 자신의 미래를 주도할 권리가 있었고, 그들도 자신의 미래를 주도할 권리를 갖게 될 것입니다. 나는 그들의 말을 들을 수 있지만 그들에게 무엇을 하라고 지시하는 것은 나에게 달려 있지 않습니다.
현재 입자 물리학의 위기와 지속 가능한 미래를 창조하는 데 인류가 직면한 거대한 장애물을 고려할 때, 당신은 여전히 낙관론자인가?
나는 과거와 마찬가지로 오늘도 낙관적입니다. 토론은 복잡하고 선택도 어렵습니다. 하지만 지금까지 나는 오랜 생애 동안 항상 긍정적인 결과를 보아 왔습니다. 그래서 이번에도 해결책이 나올 것이라고 확신합니다.
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