[ 프리미엄 리포트 ] ‘ 핵 ’ 빠르 게 던지 는 가속기 : 동아 사이언스 
 일러스트 최연지 / 어린이 과학동아 DB 
 우리 는 아주 빠른 속도 를 묘사 할 때 빛 처럼 빠르 다고 표현 합니다 . 예 를 들 어 , 야구 투수 가 약 시속 160 km 를 넘 는 공 을 던지 면 빛 처럼 빠른 공 이 라는 뜻 으로 ‘ 광 속구 ’ 라고 비유 합니다 . 그런데 정말로 빛 의 속도 에 가깝 게 물체 를 던지 는 사람 들 이 있 습니다 . 바로 저 와 같 은 핵 물리학자 들 입니다 . 
 ‘ 핵 ’ 작 은 핵 을 ‘ 핵 ’ 빠르 게 던지 는 비결 
 빛 은 얼마나 빠를까 요 ? 빛 은 진공 이나 공기 중 에서 1 초 에 30 만 km 를 이동해 지구 를 일곱 바퀴 하 고 도 반 바퀴 나 더 돌 아요 . 유럽 입자 물리 연구소 ( CERN ) 의 거대 강입자 가 속기 ( LHC ) 는 빛 의 99 . 999999 % 에 달하 는 속도 로 수소 원자 의 핵 인 양성자 를 던져서 서로 충돌 시킵니다 . 말 그대로 ‘ 빛 처럼 빠르 게 ’ 입자 를 가속 시키 는 겁니다 . 
 이 처럼 빠른 속도 를 어떻게 만들 어 내 는 걸까요 ? 야구공 은 큰 힘 으로 세 게 던질 수록 크 게 가속 되 어 속도 가 빨라집니다 . 이때 공 의 질량 이 작 을수록 가속 되 는 정도 는 커 속도 가 더 빨라집니다 . 이 처럼 어떤 물체 의 가속도 가 외부 에서 받 는 힘 에 는 비례 하 고 물체 의 질량 에 는 반비례 하 는 현상 을 ‘ 뉴턴 의 운동 제 2 법칙 ’ 이라고 합니다 . 가속기 도 이 를 이용 해 핵 에게 큰 힘 을 줘서 가속 시킵니다 . 
 그런데 핵 은 너무 작 아서 눈 에 보이 지 도 않 고 만질 수 도 없 습니다 . 이 처럼 던질 수 없 을 정도 로 작 은 입자 는 어떻게 가속 할까요 ? 답 은 ‘ 전기력 ’ 에 있 습니다 . 전하 * 를 띠 는 물체 는 서로 밀 거나 당기 는 ‘ 전기력 ’ 을 받 습니다 . 가속기 에서 사용 하 는 수소 원자 는 음전하 를 띠 는 ‘ 전자 ’ 와 핵 으로 이뤄져 있 는데 , 이중 수소 핵 은 양전하 를 띠 는 ‘ 양성자 ’ 하나 입니다 . 즉 , 수소 핵 은 양전하 를 띠 므로 전기력 을 가해 속도 를 높일 수 있 습니다 . 
 수소 핵 을 빛 만큼 이나 빠르 도록 만들 려면 대체 얼마나 큰 전기력 이 필요 한 걸까요 ? LHC 에서 수소 핵 의 운동 에너지 는 최대 6 . 5 조 전자볼트 ( eV ) 까지 증가 합니다 . 우리 가 평소 쓰 는 1 . 5 V 짜리 건전지 약 4 . 5 조 개 만큼 이나 큰 전기력 을 줘야 만들 수 있 는 운동 에 너 지량 입니다 . 
 세상 을 이루 는 근본 적 인 물질 은 무엇 일까 ? 
 CERN 컨트롤 센터 . 연구자 들 이 가속기 실험 이 잘 이뤄 지 는지 24 시간 내내 점검 하 는 곳 이 다 . Torkild Retvedt / 위키피디아 제공 
 가속기 안 에서 수소 핵 이 빛 만큼 빠르 게 움직이 다 서로 ‘ 꽝 ’ 부딪치 는 등 역동 적 인 사건 이 일어나 는 동안 , 저 와 같 은 핵 물리학자 는 컴퓨터 가 가득 한 연구실 에서 24 시간 내내 모니터 를 보 는 등 바삐 움직입니다 . 보통 10 명 내외 로 이뤄진 팀 들 이 8 시간 씩 교대 하 며 실험 이 제대로 이뤄지고 있 는지 , 원 하 는 데이터 가 정상 적 으로 모이 는지 등 을 항상 확인 합니다 . 이런 일 을 미국 브룩헤이븐 국립 연구소 ( BNL ) 의 상대 성중 이온 가속기 ( RHIC ) 에서 는 약 1000 명 의 과학자 들 이 , LHC 에서 는 약 만 명 의 과학자 들 이 전 세계 에서 찾아와 돌아가 며 합니다 . 
 이 처럼 고된 일 을 통해 핵 물리학자 가 얻 으려는 것 은 뭘까요 ? 바로 ‘ 세상 을 이루 는 근본 적 인 물질 이 무엇 인가 ’ 라는 문제 의 답 을 찾 으려는 겁니다 . 묻 기 는 쉽 지만 답 하 기 는 어려운 질문 입니다 . 지금 까지 과학자 들 은 이 질문 에 답 하 기 위해 수소 , 산소 같 은 원소 를 발견 하 고 주기율표 를 완성 하 는 연구 를 해 왔 습니다 . 이 는 마침내 원소 들 의 내부 구조 를 밝히 기 위한 가속기 실험 으로 이어졌 습니다 . 
 가속기 실험 을 통해 과학자 들 은 원자핵 을 이루 는 양성자 와 중성자 가 쿼크 로 이뤄져 있 다는 점 을 발견 하 고 , 이전 엔 볼 수 없 던 새로운 입자 도 알 게 됐 습니다 . 가속기 에서 양성자 를 충돌 시키 면 양성자 가 깨져 쿼크 로 분리 될 뿐 만 아니 라 아예 새로운 입자 가 만들 어 지 기 도 하 거든요 . 에너지 가 질량 으로 , 질량 이 에너지 로 바뀔 수 있 다는 ‘ 에너지 - 질량 등 가 원리 ’ 에 따라 , 빛 의 속도 로 움직이 던 양성자 의 에너지 일부 가 질량 으로 바뀌 며 새로운 입자 가 됩니다 . 이 를 통해 양성자 를 이루 던 쿼크 만 이 아니 라 이 와 는 다른 종류 의 새로운 쿼크 와 힉스 등 을 발견 해 왔 습니다 . 지금 도 핵 충돌 실험 에서 새로운 현상 을 발견 하 려고 노력 하 고 있 습니다 . 
 조그마 한 두 모래알 을 충돌 시키 려면 ? 
 가속기 RHIC 의 모습 . 두 진공관 에서 입자 다발 이 서로 반대 방향 으로 움직인다 . 
 세계 곳곳 에 있 는 다양 한 가속기 중 입자 를 빛 의 속도 에 가깝 게 가속 시키 는 것 은 LHC 와 RHIC 입니다 . 특히 LHC 의 길이 는 어마어마 해 둘레 가 서울 가로 길이 보다 고작 3 km 짧 은 27 km 에 달 합니다 . 스위스 와 프랑스 에 걸쳐 땅속 175 m 깊 은 곳 에 있 습니다 . RHIC 도 짧 지 는 않 아 둘레 가 약 3 . 8 km 에 달 합니다 . 
 이 들 은 모두 동그란 고리 로 이뤄진 원형 가속기 입니다 . 내부 에 는 공기 를 없앤 진공관 이 두 개 있 어 , 각각 시계 방향 과 반시 계 방향 으로 입자 가 움직입니다 . 두 진공관 에서 반대 로 움직이 던 입자 들 은 가속기 의 특정 한 지점 몇 곳 에서 만나 충돌 합니다 . 
 여기 서 잠깐 ! 여러분 이 작 은 모래 두 알 을 양손 에 들 고 서로 마주 보 는 방향 으로 던져 충돌 시키 려 한다고 생각 해 보 세요 . 매우 성공 시키 기 어려운 실험 일 겁니다 . 모래알 을 충돌 시키 기 도 쉽 지 않 은데 , 양성자 처럼 보이 지 도 않 는 입자 를 충돌 시키 려면 어떻게 해야 할까요 ? 
 비결 은 양 으로 승부 하 는 것 입니다 . 양손 에 모래 를 한 움큼 씩 쥐 고 양쪽 으로 던지 면 그중 일부 는 서로 부딪칠 테 니까요 . 가속기 에서 도 여러 입자 를 모은 입자 다발 을 쏩니다 . LHC 에서 는 약 천억 개 의 양성자 로 이뤄진 입자 다발 을 약 2500 번 차례 로 던지 면 27 km 의 긴 고리 를 다 채울 수 있 습니다 . 그러 면 1 초 마다 최대 4 천만 번 씩 충돌 이 일어납니다 . 그 결과 여러 입자 들 이 나오 면 , 충돌 지점 주변 에 있 는 ‘ 검출기 ’ 가 입자 의 에너지 등 을 측정 합니다 . 검출기 는 매우 작 은 입자 들 의 특징 을 어떻게 잡 아 낼까요 ? 다음 번 글 에서 알아보 겠 습니다 . 
 세계 최대 규모 지하 실험 시설 ' 그 랑 사소 국립 연구소 '( LNGS ) . IBS 제공 
 임상훈 ( 부산 대학교 물리학 과 교수 ) 고 에너지 핵물리학 을 연구 한다 . 미국 의 상대론 적 중이온 가속기 ( RHIC ) 와 유럽 의 거대 강입자 가속기 ( LHC ) 에서 각각 피닉스 ( PHENIX ) 실험 과 앨리스 ( ALICE ) 실험 에 참여 한다 . 
 어린이 과학동아 12 호 ( 6 월 15 일 발행 ) [ 헥헥 ! 핵 물리학자 ] 과장 은 없 다 ! 이게 바로 광속 . ..‘ 핵 ’ 빠르 게 던지 는 가속기 
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