입자 가속기 거대화에 따른 딜레마 – Sciencetimes

소립자 물리학이 발전하여 새로운 소립자 이론으로 예측됨에 따라 이들을 발견하고 증명하는 입자 가속기의 중요성도 점점 커졌다. 특히 이러한 실험은 양성자 등 극히 작은 입자를 매우 빠른 속도로 가속해야하기 때문에 높은 에너지를 얻기 위해 입자 가속기 더욱 거대화 될 수밖에 없다. 또한 입자 가속기는 어려운 짝이없는 극한 기술이다 가속 궤도를 진공 상태에 가까운 유지시키는 매우 진공 기술은 매우 강력한 자기장을 얻기위한 초전도 전자석, 초전도가 가능한 저온을 실현하기위한 극저온 기술 등을 필요로한다. 현재 세계 최대의 입자 가속기 인 유럽 입자 물리 연구소 (CERN)의 거대 하드론 충돌기 (LHC)도 이러한 기술을 적용하여 건설되었다.

거대 하드론 충돌기 (LHC)의 초전도 전자석 ⓒJulian Herzog

이러한 고난도의 기술을 동반 한 거대한 가속기 장치를 건설하려면 당연히 막대한 비용을 필요로한다. 따라서 초대형 입자 가속기 건설을위한 프로젝트를 민자로 추진하는 것은 매우 어렵 기 때문에 국가의 자금이 투입 될 수밖에 없다. 그런데 국민이내는 세금으로 프로젝트를 수행하기 위해서는 그 정당성과 필요성을 입증하고 정부 관료와 정치인 등을 설득하는 것도 중요하다.

자연과 우주의 궁극과 근본 원리를 빨리 밝히고 자 열망하는 과학자의 입장에서는 막대한 돈이 걸려와 충분한 가치가 있다고 생각하지만, 국가의 자원을 효율적으로 배분하는 책임을 가진 사람은 생각이 다를 수 있습니다. 즉 그런 큰돈을 들여 한 결과, 국가와 국민에게 어떤 혜택이 돌아 실질적인 효용이 과연 있는지 의심하지 않을 수 없다. 또한 입자 물리학이라는 학문은 응집 물질 물리학, 반도체 물리학, 광학 등과 같이 비교적 빠르고 확실한 산업에 활용이 기대있는 다른 물리 분야는 사정이 다르다.

이와 관련하여 미국의 물리학 자 로버트 윌슨 (Robert R. Wilson, 1914~2000) 한 정치인이 나눈 대화는 매우 시사하는 바가 크다. 윌슨은 프린스턴 대학에서 학위를 취득하고 제 2 차 세계 대전 중에 원자 폭탄을 개발하는 맨해튼 계획에서 사이클로트론 그룹장으로 활동하고 있던 입자 가속기 전문가이다. 이후 1967 년부터 페르미 가속기 연구소의 초대 소장을 맡아 많은 공적을 남겨 페르미 연구소에서는 그의 이름을 딴 윌슨 홀이라는 건물이있다.

페르미 연구소 초대 소장을 지낸 로버트 윌슨 ⓒ 위키 미디어

윌슨은 새로운 초대형 가속기 인 테바 트론 (Tevatron) 건설 관련하여 1969 년에 미국 의회의 원자 에너지 관련 합동위원회에서 증언 한 당시 상원 의원 존 패 스토어 (John Pastore)는 엄청난 돈 이 들어 그 가속기가 무엇 효용이 있느냐는 질의했다. 즉 “가속기가 국가 안보에 도움이되는 것입니까?” “그 프로젝트를하는 기술이 크게 발전하여 미국이 소련과의 경쟁에서 확실한 우위에 설 수 있을까?”등을 집요하게 계산 물은이다.

윌슨은 장기적인 관점에서 기술의 발전에 도움이 될 수도 있지만, 그 문제에 관해서는 없다고 강조하고 “가속기가 나라를 지키기 데에눈 별 도움이되지 않을까에서도 앞으로이 나라를 보호 가치가있는 나라 해주게 기여할 것 “이라고 답했다. 많은 소립자 물리학의 “마음을 울리는”자부심을 북돋워주는 윌슨의이 한마디는 그 입자 물리학의 효용 문제 등에 관해 자주 인용되고있다.

하지만 거대한 입자 가속기를 건설하는 과정에서 정치인, 관료 등을 설득하는 과학자들의 노력이 항상 성공하는 것은 아니다. 대표적인 사례가 바로 1990 년대에 미국에서 초전도 슈퍼 충돌기 (SSC, Superconducting Super Collider)의 건설이 중단 된 프로젝트가 폐기 된 것이다.

초전도 슈퍼 충돌기는 1982 년경 관련 학회의 필요성이 제기되어 1986 년에 설계가 완성되어 1991 년부터 텍사스의 시골 마을의 지하에 건설 작업에 들어갔다. 기획과 설계에 따르면, 총 투자 비용이 무려 83 억 달러가 소요 타원형 가속 터널의 총 길이는 83 킬로미터에 이르는 초대형 충돌 형 입자 가속기였다. 가속 터널 안의 2 개의 반지에서 각각의 양성자 빔은 서로 반대 방향으로 20 테라 전자 볼트까지 가속 된 최종 충돌 에너지는 40 테라 전자 볼트로 계획되었다. 길이 27 킬로미터의 가속 터널과 궁극적 충돌 에너지 14 테라 전자 볼트의 현 LHC보다 몇 배나 큰 것이다.

그러나 1993 년 10 월에는 미국 의회는 투표를 통해 이미 20 억 달러의 비용을 들여 한 SSC 건설을 중단하는 결정을 내리고 프로젝트를 최종 처분했다. 이른바 와인버그 – 살람 이론으로 1979 년 노벨 물리 상을 수상한 당대 최고의 입자 물리학 자 스티븐 와인버그 (Steven Weinberg, 1933) 등이 사활 적 노력과 치열한 로비에서 정치인을 설득하려고했지만 결국은 낭비로 돌아 버렸다.

건설이 중단 된 초전도 슈퍼 충돌기 (SSC)의 스케치 ⓒ 위키 미디어

SSC의 중단은 미국의 관련 물리학 자들뿐만 아니라 전 세계의 소립자 물리학에 큰 충격과 좌절을 안겨 주었다. 자연과 물질의 궁극과 기초 탐구를위한 새로운 초대형 입자 가속기에 큰 기대를 걸고 있었지만, 도중에 폐기되어 버립니다 때문에, 소립자 물리학있는 학문 자체가 흔들릴 수있는 큰 위기를 맞이했기 때문이다.

미국 의회의 다수 의원이 SSC 프로젝트의 폐기에 찬성표를 던진 이유는 무엇인지 단정적으로 설명하기는 어렵다. 그러나 아무래도 당시 구소련의 해체로 냉전 구도가 종식되고 미국 정부가 SSC와 같은 ‘거대 과학 (Big Science)」를 무조건 계속 지원해야한다면 근거를 찾을 힘들었다는 점이 최대 이유라고 생각한다.

아름다운 자연의 이치를 파악하려고하는 과학자의 순수한 열망도 중요하지만, 그를 위해 필요한 막대한 자원의 투입에 대한 사회적 합의도 결코 간과 할 수없는 것이다. 이 두 가지가 어떻게 서로 충돌하지 않고 조화를 이룰 수있는 방법은 오늘도 풀리지 않는 과제로 남아있다.

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