2-12. 강입자가속기로 양성자를 쪼개면

앞에서 레일건 이야기를 한 것은 양성자를 가속시키는 입자가속기와 탄환을 가속하는 레일건의 원리는 전기로 자극을 만들어 이용한다는 점에서 원리가 같기 때문이다. 레일건이 발전하여 어제(2025년 5월 27일) 신문에는 중국이 1초에 50발, 1분에 무려 3,000발의 작은 탄환을 쏘아 데모대나 시위군중을 해산시킬 수 있는, 배터리로 작동되는 소형 레일건을 시험했다는 뉴스가 나왔다.

어쨌든 유럽입자물리연구소(CERN)의 강입자가속기는 둘레가 27 킬로미터나 되는 거대한 파이프의 원으로 만들어져 있고 거대한 파이프 안은 전선과 코일과 자석이 빼곡하게 들어차 있는데 어마어마한 전기에너지를 투입, 엄청난 자기력으로 양성자 입자의 속도를 순식간에 광속의 99.999991%까지 가속할 수 있다고 한다. 입자가속기 안에서 양성자를 가속시켜 충돌시키는 데 걸리는 시간은 1000분의 1초에 불과하다고 한다.

우리 알다시피 아인슈타인의 상대성이론에 의하면 물체가 광속에 도달하면 질량이 무한대로 늘어나게 된다. 유럽입자물리연구소(CERN)의 강입자가속기에서 전기자기력을 이용하여 불과 1000 분의 1초에 양성자를 광속의 99.999991%의 속도로 가속하면 양성자의 질량이 엄청나게 늘어나 깨알이 투포환 쇠공처럼 무거워지는 것처럼 무거워지게 된다. 그 작은 양성자라도 광속의 99.999991%로 가속하려면 엄청난 에너지가 필요하며 따라서 둘레 27 킬로미터의 어마어마한 설비가 필요하고 엄청난 전력이 소비되는 것이다. 마치 깨알 하나를 광속 가까운 속도로 가속하면 그 깨알이 쇠공처럼 무거워지고 그 무거워진 깨알을 그렇게 빠른 속도로 가속하기 위하여 거대한 발전소와 어마어마한 전력설비가 총동원되는 것이다.

그렇게 가속된 양자 입자들을 서로 반대방향으로 회전시키다가 정면으로 충돌시킨다. 그러면 엄청나게 큰 에너지로 인한 충돌로 양성자가 박살나면서 순간적으로 수많은 입자들이 터져 나오는데 그 입자들을 촬영하고 분석하면 물질의 비밀을 풀어줄 열쇠를 제공할 수 있을 것이라는 것이다.

그런데 그 때 작은 블랙홀이 생겨나고 그렇게 생겨난 블랙홀이 주변의 모든 것을 빨아들이면서 점점 자라나 마침내 지구를 삼켜버릴 것이라는 동영상이 인터넷에 떠돌기도 했다. 이러한 양성자 가속실험을 통하여 2015년에는 힉스입자로 판단되는 입자를 확인하였고 지금도 물질의 비밀을 캐려는 시험은 계속되고 있다.

그런데 강입자가속기에서 순간적으로 정말 블랙홀이 생겨날 수 있는 것일까? 광속의 99.999991%는 광속의 99.999991%일 뿐이지 광속은 아니다. 아무리 작은 입자라 해도 광속으로 가속하는 것은 불가능하다. 마지막 0.000009%의 속도를 마저 올려서 광속에 도달하게 하려면 입자의 질량은 무한대가 되어야 하고 따라서 지금까지 들어간 에너지보다 더 큰, 아니, 무한대의 에너지가 더 들어가야 하기 때문이다.

따라서 인간의 힘으로 블랙홀 비슷한 상태까지는 만들 수 있을지 모르지만 블랙홀을 만들 수는 절대로 없다. 그리고 다시 말하지만 우주광속여행은 불가능하다. 광속에 가까워질수록 물질의 질량이 무한대로 늘어나기 때문이다. 우주선의 무게가 무한대로 늘어나고 우주선을 타고 있는 인간의 몸무게도 무한대로 늘어나야 하기 때문이다.