거대한 가속기 한 대가 첫 번째 대성과를 내자마자, 무엇으로 그 가속기를 대체할지에 대한 논의가 시작되었다.

이번 주 독일 린다우(Lindau)에서 열린 노벨상 수상자들의 연례모임에서 나온 이야기들은 거대강입자충돌기(Large Hadron Collider)가 자신이 발견한 것이 정확히 무엇인지를 알아내는데 적절한 기구인지에 대한 것이 전부였다. 문제는 LHC가 두 양성자 빔들을 충돌시킨다는 것이다. 양성자들은 더 작은 입자들인 쿼크(quarks)들과 그들을 결합시키는 글루온(gluons)의 혼합물로 이루어져 있기 때문에, 두 양성자가 충돌하면 혼란스런 일련의 파편들이 생긴다. 힉스 보손(Higgs boson)과 비슷하게 보이는 무언가를 찾기 위해서는 격렬한 충돌 과정에서 순식간에 생성된 것을 힘들게 재구성하는 것이 요구된다. 대단히 다양한 것들이 생성되므로 힉스의 진정한 특성이 무엇인지를 명확히 정의하고 최종적인 확인에 도달하기에는 그러한 상황이 너무나 혼란스러울지도 모른다.

“문제는, 과연 LHC가 그 모든 일들을 할 수 있을 것인가? 혹은 또 다른 무언가가 필요하지는 않을까라는 것이다.”라고 카를로 루비아(Carlo Rubbia)는 말했다. 그는 CERN을 이끌고 있는 실험가이며 1990년대에 LHC 프로젝트를 추진하는데 큰 역할을 했다. 이 문제에 대한 입자물리학자들의 관습적인 대답은 전자들과 그 반입자인 양전자들을 충돌시키는 기계를 건설하자는 제안이었다. 양성자와는 달리 전자는 기본 입자이므로 충돌 과정에서 분해되지 않기 때문에, 충돌할 때 무엇이 생성되는지가 더 분명하다는 것이다.
문제는 적절한 에너지의 전자-양전자 충돌기는 LHC보다도 더 클 것이라는 점이다. 그와 같은 기계인 국제선형충돌기(International Linear Collider)를 건설하는 제안이 가끔씩 검토되었지만, 예상비용이 200억 달러에 달해 소수의 국가들만이 참여의 뜻을 밝히고 있다. “20년 이내에 실현되지는 않을 것이며, 어쩌면 내가 사는 동안에는 안 될지도 모른다.”라고 노벨상을 수상한 UC산타바바라의 이론가인 데이빗 그로스(David Gross)는 말했다.

좀 더 현명한 해결책이 있을 것이라고 루비아는 생각한다. 뮤온(Muons)은 전자와 비슷한 입자이지만, 200배나 더 무겁다. 이것은 뮤온-반뮤온 가속기는 훨씬 더 짧은 거리에서 필요한 에너지에 도달할 수 있을 것이라는 것을 의미한다. 약 125 GeV에서 힉스로 추정된 것을 조사하려면, 각각 60 GeV를 약간 넘는 에너지를 가진 뮤온과 반뮤온을 충돌시켜야 할 것이다. “이것은 LHC보다 100배나 더 작은 기계로 실행할 수 있을 것이다.”라고 루비아는 말했다. 그 결과는 그 입자와 소수의 다른 것들을 생성하는 ‘힉스 공장’이 될 것이다. 그러한 가속기가 실현되기 전에 극복되어야 할 기술적 장애물이 몇 가지 있다. 그것은 뮤온이 다른 입자인 파이중간자(pions)가 붕괴될 때 뜨겁고 불규칙하게 움직이는 가스 형태로 생성되므로, 고강도 빔으로 집속될 수 있으려면 냉각되어야 한다는 점이다.

그러나 비슷한 기술이 반양성자를 냉각시키는데 사용되고 있기 때문에, 우리는 이미 그러한 문제를 극복할 노하우를 갖고 있다고 루비아는 생각한다. 이러한 어려움을 극복하기 위한 연구는 CERN과 페르미연구소(Fermilab)에서도 이루어지고 있다. 만약 그 일이 너무나 힘들고 그 변종전자가 너무나 비싸다면, 우리는 힉스에 대해 더 많은 것을 알아내기 위해 LHC에서 최선의 번잡한 충돌을 계속해야 할 것이다. 설사 그렇게 될지라도 뭔가는 나올 것이라고 그로스는 확신하고 있다. “우리 동료들은 대단히 현명하다. 그들은 그렇게 할 방법을 찾아낼 것이다.”라고 그는 말했다.

* 그림 : 힉스 입자를 생성하는 최선의 방법은 무엇일까?