CMS 실험

가속기가 ‘충돌 현장’을 만들고, 검출기가 흔적을 읽는 구조

LHC는 스위스·프랑스 국경 지역의 원형 가속기, CMS는 그 충돌 지점 가운데 하나인 프랑스 세시의 지하 약 100m에 설치된 관측 장치. 빠르게 움직이는 양성자의 충돌 에너지가 새로운 입자를 만드는 데 쓰이고, CMS가 그 결과를 기록하는 역할 분담. 수많은 흔적에서 사건의 경위를 재구성하는 수사에 비유할 수 있지만, 추측이 아니라 검출기의 측정값과 물리 법칙을 바탕으로 한 분석.

양파처럼 겹친 검출층

CMS는 길이 약 21m, 높이·폭 약 15m, 무게 약 1만 4,000톤의 장치. 안쪽 추적기는 전기를 띤 입자가 지나간 위치를 측정하고, 강한 자기장은 그 경로를 휘게 하여 입자가 어느 방향으로 얼마나 강하게 움직이는지를 나타내는 운동량을 알아내는 데 도움을 주는 구조. 바깥으로 이어지는 열량계는 입자의 에너지를 측정하며, 가장 바깥쪽 장치는 여러 검출층을 통과하는 뮤온을 식별하는 구성. 뮤온은 전자와 성질이 비슷하지만 더 무거운 기본입자이며, ‘솔레노이드’는 원통 모양으로 감은 전선에 전류를 흘려 자기장을 만드는 자석을 뜻하는 말. CMS라는 이름도 ‘조밀한 뮤온 솔레노이드’라는 설계 특징에서 유래.

힉스 보손을 발견했다는 뜻

힉스장은 우주 전체에 퍼져 있으며 일부 기본입자와 상호작용해 그 입자가 질량을 갖게 하는 장. 여기서 ‘장’은 공간의 각 지점에 물리적인 성질이 있는 상태를 뜻하며, 힉스 보손은 이 힉스장의 작은 들뜸에 해당하는 입자. CMS와 ATLAS가 서로 다른 검출기·독립적인 분석으로 새로운 입자의 신호를 찾아 2012년 함께 발표하고, 후속 측정으로 힉스 보손의 성질과 일치하는지를 검증한 과정. 단 한 번의 특별한 사진을 보고 결론을 내린 것이 아니라, 많은 충돌에서 특정한 결과가 예상보다 얼마나 자주 나타나는지를 비교한 발견. 힉스장이 ‘모든 질량을 만들어 낸다’는 뜻은 아니며, 양성자·중성자 질량의 대부분은 내부의 강한 상호작용에 따른 에너지에서 비롯된다는 점에 유의.

발견 뒤에도 계속되는 실험

물질의 기본입자와 그 사이의 힘을 설명하는 이론인 ‘표준모형’이 실제 측정과 맞는지 정밀하게 확인하는 것이 주요 과제. 힉스 보손이 어떤 입자로 바뀌는지, 매우 무거운 톱쿼크가 얼마나 자주 생성되는지 등을 측정하는 연구. 검출기를 거의 통과해 버리는 입자는 직접 찍기보다, 충돌에서 측정된 운동량의 균형이 맞지 않는 양상 등을 통해 존재 가능성을 추적하는 방식. 암흑물질 후보를 비롯한 새로운 입자를 찾는 연구와, 납 원자핵 충돌로 초기 우주와 비슷한 뜨거운 물질을 살피는 연구도 수행.

한국의 참여와 공동연구의 기반

1997년 고려대학교의 CMS 참여와 2007년 한국·CERN의 실험 참여 이행 의정서 체결을 거쳐 확대된 한국 연구진의 협력. 한국 팀은 뮤온 검출기와 입자 도착 시간을 정밀하게 재는 장치의 개발·제작, 검출기 성능 연구와 데이터 분석 등에 참여. 세계 여러 연구기관이 하드웨어와 소프트웨어, 계산 자원과 분석을 분담하는 공동작업이며, CMS는 2014년부터 실제 충돌 자료와 분석 도구를 외부에도 공개해 재현 연구와 교육을 지원.

더 많은 충돌을 구별하기 위한 개량

더 많은 자료가 쌓일수록 드문 현상을 볼 기회도 늘지만, 한꺼번에 겹치는 입자 흔적을 구별하기는 어려워지는 문제. 2017년 픽셀 검출기 교체와 이후 뮤온 검출 장치의 보강은 이런 조건에서 성능을 유지하기 위한 개선. 충돌 횟수를 크게 늘리는 고휘도 LHC 시대를 위한 추적기·열량계·시간 측정 장치 등의 개량도, 단순히 장비를 크게 만드는 것이 아니라 더 복잡한 충돌을 정밀하게 읽어내기 위한 준비.