유럽 입자 물리 연구소

3. 연구 분야

CERN은 가속기를 활용한 소립자 물리학 및 핵물리학 연구를 중점적으로 수행하며, 이와 관련된 첨단 기술 개발에도 힘쓰고 있다.

과거 LEP^eng 및 LEP2^eng 실험에서는 질량을 가진 게이지 보손인 Z 보손과 W 보손의 질량을 정밀하게 측정하고 전약 대칭성 깨짐 현상을 규명했다. 이러한 결과는 입자물리학 표준 모형의 예측을 성공적으로 검증했을 뿐만 아니라, 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학 탐구의 중요한 발판을 마련했다.

최근에는 LHC^eng를 이용한 실험이 활발히 진행 중이다. 2010년 3월 30일에는 7TeV 에너지에서 양성자 충돌 실험을 최초로 성공시켰으며(가속 에너지 3.5TeV의 양성자끼리 정면 충돌), 이후 지속적인 데이터 축적을 통해 2011년 12월 13일에는 ATLAS^eng와 CMS^eng 검출기 그룹이 힉스 보손 탐색에 관한 중간 결과를 공동으로 발표하는 등 중요한 성과를 이어가고 있다.

3. 1. 고에너지 물리학

'''가가멜 프로젝트와 중성류 발견'''

가가멜 프로젝트는 전기적으로 중성인 약한 상호작용, 즉 중성류의 증거를 찾기 위해 시작되었다. 전자기 상호작용 때문에 상대적으로 약한 중성류 효과를 검출하기 어려웠으므로, 전자기 상호작용을 하지 않는 중성미자를 이용해 중성류 효과만을 관측하는 실험이 설계되었다. 1963년 시에나 컨퍼런스 이후 새로운 중성미자 실험이 계획되었고, 1965년 CERN과 프랑스 원자력 위원회 간 협약에 따라 '가가멜'이라는 이름의 대형 거품 상자 제작이 시작되었다. 이름은 프랑수아 라블레의 소설 《가르강튀아와 팡타그뤼엘 이야기》에 등장하는 거인족 여왕의 이름에서 따왔다.^[224]

가가멜 거품 상자는 프랑스 사클레 실험실에서 제작되었다. 지름 1.8m, 길이 4.8m, 무게 1,000톤이 넘는 원통 안에 18톤의 액체 프레온을 채웠으며, 1970년 CERN의 양성자 싱크로트론(PS)에서 나오는 중성미자 빔 경로에 설치되었다. 1972년 초부터 본격적인 중성류 연구가 시작되었고, 뮤온 중성미자가 중성류를 통해 원자 내부 전자와 탄성 충돌하여 전자가 튀어나오는 현상과, 중성미자가 강입자와 상호작용하여 강입자 샤워만 생성하는 사건들이 관측되었다. 이 발견은 1972년 9월부터 1973년 3월 사이에 이루어졌고, 충분한 검토 후 중성류 발견은 거의 확실해졌다.

그러나 당시 경쟁 관계에 있던 미국 페르미 연구소의 HPWF 그룹이 초기 분석 결과에서 중성류 신호가 사라졌다고 발표하면서 가가멜 프로젝트 결과에 대한 의혹이 제기되기도 했다. 하지만 가가멜 그룹은 자신들의 데이터를 고수했고, 1년 후인 1974년 6월 런던에서 열린 국제 학회에서 이전보다 두 배 많은 데이터를 바탕으로 결과를 발표했다. 이 자리에서 HPWF 그룹도 자신들의 분석 오류를 인정했으며, 페르미 연구소와 아르곤 국립 연구소의 다른 실험들에서도 중성류의 존재가 추가로 확인되면서 논쟁은 마무리되었다.^[224]

'''노벨 물리학상 수상'''

CERN에서의 연구 성과는 여러 차례 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다.

• 1984년: 카를로 루비아와 시몬 판 데르 메르가 W와 Z보존 발견에 기여한 공로로 수상했다.^[40]
• 1992년: 조르주 샤르파크가 입자 검출기, 특히 다중선 비례실을 발명하고 개발한 공로로 수상했다.
• 2013년: 프랑수아 앙글레르와 피터 힉스가 힉스 메커니즘을 이론적으로 설명하고, CERN의 LHC 실험을 통해 힉스 보손이 발견된 공로로 수상했다.

3. 2. 컴퓨터 과학

3. 3. 가속기

• '''양성자 싱크로트론 (Proton Synchrotron, PS)''': 1959년 11월 24일 가동을 시작했으며, 양성자를 28GeV까지 가속할 수 있다.^[223] 미국의 브룩헤븐 국립연구소 AGS가 완성되기 전까지 세계 최고 에너지 가속기였다. 오랫동안 CERN 입자물리학 연구의 중심 역할을 했으며, 현재는 후속 가속기들에 빔을 공급하는 중요한 역할을 계속 수행하고 있다.
• '''초 양성자 싱크로트론 (Super Proton Synchrotron, SPS)''': 1976년에 가동을 시작했다.^[223] PS로부터 받은 빔을 다시 가속하여 양성자를 400GeV까지 가속할 수 있다. SPS는 충돌기가 아니며, 가속된 빔을 외부 고정 표적 실험에 사용한다. 1977년 5월 모든 테스트를 마치고 정상 가동에 들어갔다. CERN의 주요 업적 중 하나인 W와 Z보존 발견 실험에 사용되었으며, 이를 위해 양성자-반양성자 충돌기(SPS 양성자-반양성자 충돌 모드)로 개조되어 운영되기도 했다.

• '''대형 강입자 충돌기 (Large Hadron Collider, LHC)''': 2008년 첫 빔을 가동했으며^[223], 현재 세계에서 가장 크고 강력한 입자 충돌기이다. 둘레 27km의 터널(과거 LEP가 사용했던 터널)에 설치되어 있으며, 지하 약 100m 깊이에 위치한다. 양성자 빔을 각각 7TeV까지 가속하여 총 14TeV의 에너지로 충돌시킬 수 있고, 납 원자핵은 574TeV까지 가속하여 충돌시킬 수 있다. LHC 건설은 1994년 공식 승인되었으며, 기존의 PS/SPS 가속기 단지가 양성자와 납 이온을 사전 가속하여 LHC에 주입하는 역할을 한다. LHC는 힉스 보손 발견 등 중요한 성과를 거두었으며, 현재 더 높은 성능을 목표로 하는 고휘도 대형 강입자 충돌기 (HL-LHC) 프로젝트를 통해 2026년까지 업그레이드가 진행 중이다.^[88] 이 업그레이드의 일환으로 기존의 선형 가속기 주입기 LINAC 2가 폐지되고 새로운 LINAC 4로 대체되었다.^[89]

• '''반양성자 감속기 (Antiproton Decelerator, AD)''': 저에너지 반양성자 링 (LEAR)의 후속 기기로, 반물질 연구에 사용되는 반양성자를 감속시키는 역할을 한다.
• '''양성자 싱크로트론 부스터 (PSB)''': PS에 빔을 주입하기 전에 양성자의 에너지를 높이는 역할을 한다.
• '''저에너지 이온 링 (LEIR)''': LEAR 장치를 재구성한 것으로, LHC의 중이온 충돌 실험을 위해 이온 빔을 준비하고 증폭시키는 역할을 한다.

'''미래 가속기 연구'''

CERN은 현재의 LHC를 넘어서는 차세대 가속기에 대한 연구도 진행하고 있다. 주요 연구 프로젝트로는 새로운 가속 기술을 이용한 선형 전자-양전자 충돌기인 콤팩트 선형 충돌기 (CLIC)와 LHC보다 훨씬 큰 규모의 원형 충돌기인 미래 원형 충돌기 (FCC)가 있다.^[106]

4. 회원국 및 협력 현황

4. 1. 회원국

• 벨기에
• 덴마크
• 프랑스
• 서독 (독일 연방 공화국)
• 그리스
• 이탈리아
• 네덜란드
• 노르웨이
• 스웨덴
• 스위스
• 영국
• 유고슬라비아

• 1959년 6월: 오스트리아 가입
• 1961년: 스페인 가입, 유고슬라비아 탈퇴
• 1969년: 스페인 탈퇴
• 1983년 11월: 스페인 재가입
• 1985년 7월: 포르투갈 가입
• 1991년 1월: 핀란드 가입
• 1991년 7월: 폴란드 가입
• 1992년 7월: 헝가리 가입
• 1993년 7월: 체코, 슬로바키아 가입 (체코슬로바키아 해체 후 각각 가입)
• 1999년 6월: 불가리아 가입
• 2013년 12월: 이스라엘 가입^[220]
• 2016년 7월: 루마니아 가입^[221]

• 키프로스
• 슬로베니아
• 터키 (현재 참관국 자격)

4. 2. 참관국 (옵서버)

• 인도
• 일본
• 러시아
• 튀르키예
• 미국

• 유네스코 (UNESCO)
• 유럽 위원회

4. 3. 비회원 협력국

• 인도
• 일본
• 러시아
• 미국

• UNESCO
• 유럽 위원회

그 외에도 회원국은 아니지만 CERN과 협력 관계를 맺고 프로그래머 등을 파견하는 국가들은 다음과 같다.

• 남아프리카 공화국
• 뉴질랜드
• 대만
• 루마니아
• 마케도니아
• 멕시코
• 모로코
• 몬테네그로
• 벨라루스
• 사우디아라비아
• 세르비아
• 아르메니아
• 아르헨티나
• 아이슬란드
• 아일랜드
• 아제르바이잔
• 알제리
• 에스토니아
• 오스트레일리아
• 이란
• 이집트
• 조지아
• 중국
• 칠레
• 캐나다
• 콜롬비아
• 쿠바
• 페루

4. 4. 국가별 CERN 재정 후원 (2019년 기준)

환율: 1 CHF = 0,829 EUR (2011년 9월 19일 기준)

5. 공개 시설

CERN은 연구 활동과 성과를 일반 대중과 공유하기 위해 다양한 공개 시설을 운영하고 있다. 대표적인 시설로는 과학과 혁신의 글로브와 최신 교육 시설인 CERN 과학 게이트웨이가 있으며, 과거에는 마이크로코슴 박물관도 운영되었다. 이러한 시설들은 방문객들에게 입자 물리학의 세계를 소개하고 CERN의 연구 활동에 대한 이해를 높이는 데 기여한다.

5. 1. 과학과 혁신의 글로브 (The Globe of Science and Innovation)

5. 2. 마이크로코슴 박물관 (Microcosm Museum)

5. 3. CERN 과학 게이트웨이

6. 기타

• Collide: 도시들과 협력하여 진행하는 국제 레지던시 프로그램.
• Connect: 프로 헬베티아와 협력하여 CERN 및 전 세계 과학 기관에서 예술과 과학 실험을 장려하는 레지던시 프로그램.
• Guest Artists: 예술가들이 CERN의 연구 및 커뮤니티와 교류할 수 있도록 지원하는 단기 체류 프로그램.

• 음악:
• CERN의 여성 직원들이 결성한 밴드 레 호리블 세르네트(Les Horribles Cernettes)는 LHC와 같은 이니셜을 갖도록 이름을 지었다.^[195][196]
• 과학 저널리스트 캐서린 맥알파인(Katherine McAlpine)은 CERN 직원들과 함께 LHC에 관한 랩 비디오 "Large Hadron Rap"을 제작했다.^[197][198]
• 밴드 메가데스의 앨범 ''Super Collider'' 커버는 CERN의 콤팩트 뮤온 솔레노이드(CMS) 검출기를 기반으로 디자인되었다.
• 가수 하우이 데이(Howie Day)의 노래 "Collide"를 LHC 내 양성자 충돌에 관한 내용으로 개사한 패러디 비디오가 제작되었으며, 이후 데이 본인이 CERN을 방문하여 개사된 버전으로 노래를 녹음하고 뮤직비디오를 발표했다.^[205][206]
• 영화 및 드라마:
• 2009년 영화 ''천사와 악마''에서는 CERN에서 반물질이 도난당하는 사건이 발생한다.^[201]
• 2013년 다큐멘터리 ''파티클 피버(Particle Fever)''는 CERN 내부와 2012년 힉스 보손 발견 과정을 다룬다.
• 2012년 학생 영화 ''Decay''는 LHC가 사람들을 좀비로 만든다는 설정으로, 실제 CERN 터널에서 촬영되었다.^[203]
• 미국 시트콤 ''빅뱅 이론'' 시즌 3에서는 주인공들이 CERN 컨퍼런스에 참석하여 LHC를 방문한다.
• 애니메이션 ''사우스 파크'' 시즌 13에서는 등장인물이 아들의 경주를 위해 CERN의 초전도 자석을 훔친다.^[202]
• 영국 드라마 ''닥터 후'' 시즌 10에서는 CERN이 신비한 포털로 연결된 장소 중 하나로 등장한다.
• 드라마 ''미스터 로봇''에는 ATLAS 실험과 유사한 비밀 지하 프로젝트 장치가 등장한다.
• 디즈니+ 시리즈 ''Parallels''(2022)는 "ERN"이라는 이름의 유사 연구소를 배경으로 하며, CERN의 여러 시설이 언급된다.^{[208][209][210]}
• 소설 및 게임:
• 로버트 J. 소여의 1999년 소설 ''Flashforward''에서는 LHC 가동으로 인류 전체가 미래를 보는 사건이 발생한다.
• 비주얼 노벨 및 애니메이션 시리즈 ''슈타인즈 게이트''에서는 CERN을 모티브로 한 조직 SERN이 시간 여행을 연구하는 악의 조직으로 등장한다.
• 증강 현실 게임 ''Ingress''의 배경 이야기 및 이를 기반으로 한 애니메이션 ''잉그레스: 디 애니메이션''에 CERN이 등장한다.^[204]
• 기타:
• 자칭 시간 여행자라고 주장한 존 티토(John Titor)는 CERN이 2001년에 시간 여행을 발명할 것이라고 예언했다.
• CERN은 음모론의 대상이 되기도 하며, 오컬트 의식을 행하거나 웜홀을 열어 다른 차원으로 연결하고 지진을 일으킨다는 등의 주장이 제기되기도 한다.^[199][200]

참조

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