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- 가속기의 ALICE 검출기에서만 매초 최대 8만 9천 개의 금 원자핵이 생성
- 860억 개의 금 원자핵의 무게는 모두 29pg(피코그램)에 불과
- 결과는 전자기 해리의 이론적 모델을 시험하고 개선하는 데 도움

물리학자들이 납을 금으로 변환했다.
LHC 입자 가속기, 납 원자 충돌로 수십억 개의 금 원자핵 생성

현대 연금술:
납을 금으로 변환하는 것은 중세 연금술사들의 오랜 꿈이었다. 이제 현실이 되고 있다. 제네바 인근에 있는 LHC 입자 가속기는 납 원자핵의 충돌을 통해 금을 생성할 수 있다. 가속기의 ALICE 검출기에서만 매초 최대 8만 9천 개의 금 원자핵이 생성된다. CERN 물리학자들이 밝혀낸 바에 따르면, 수년에 걸쳐 이 금 원자는 수십억 개에 달한다. 하지만 이 금으로도 부자가 될 수는 없다는 것이 함정이다. 

▲ LHC에서 납 원자핵이 전자기적으로 분해되어 금이 되는 과정이다. © CERN

고대와 중세의 연금술사들은 원대한 목표를 가지고 있었다. 납과 같은 비금속을 모든 금속 중 가장 귀하고 불멸의 금속인 금으로 변환하고자 했던 것이다. 많은 학자가 화학 실험을 통해 이러한 변환을 시도했고, 어떤 학자들은 이른바 크리소포이아(Chrysopoeia 금석)라고 불리는 이 변환을 가능하게 할 현자의 돌을 찾기도 했다. 천문학자 티코 브라헤조차도 연금술에 헌신했다. 하지만 그들 중 누구도 성공하지 못했다.

납과 금은 어떤 화학 반응으로도 서로 변환될 수 없는 서로 다른 원소라는 것은 놀라운 일이 아니다. 이를 달성하는 유일한 방법은 납 원자핵을 조작하는 것이다. 양성자 세 개를 제거하면 금이 생성될 수 있다.

납 원자핵 충돌

이것이 바로 세계 최대 규모의 기계 중 하나인 제네바 인근 CERN 연구 센터의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 일어나는 일이다. 27km 길이의 LHC 링 안에서 양성자들은 일반적으로 거의 빛의 속도로 서로 충돌한다. 물리학자들은 몇 주 동안 이 시설을 이용하여 대신 납 원자핵을 충돌시킨다. 주된 목표는 LHC의 ALICE 검출기, 즉 우주의 "원시 수프"에서 쿼크-글루온 플라즈마를 생성하고 연구하는 것이다.

하지만 LHC에서 일어나는 이러한 납 충돌에서 무거운 납 원자핵은 종종 아슬아슬하게 서로 빗나간다. 그런데도 이러한 초주변 충돌(UPC)에는 결과가 따른다. 높은 양전하를 띤 원자핵은 광속의 99.999993%로 가속되어 강력한 전자기장을 생성하고, 이 전자기장은 근접 통과하는 동안 서로 상호작용한다.

▲ 대형 강입자 충돌기(LHC)의 ALICE 검출기 내부 모습. 무거운 납 원자핵의 충돌로 생성된 입자를 검출한다. © CERN

양성자 손실을 통한 원소 변환

ALICE 협력 연구팀의 물리학자들은 "이 과정에서 작용하는 힘은 원자핵의 전자기적 해리를 유발할 수 있다"고 설명했다. 그 결과, 납 원자는 중성자와 양성자를 일부 잃고, 양성자는 탈륨, 수은, 금과 같은 새로운 원소를 생성한다. ALICE 협력 연구팀의 물리학자들은 LHC 가속기에서 이러한 물리적 변환이 얼마나 자주 발생하는지, 그리고 그 과정에서 얼마나 많은 금이 생성되는지를 최초로 자세히 조사하고 계산했다.

ALICE 검출기의 영도 열량계(ZDC)가 납 핵의 전자기적 해리 과정에서 방출되는 광자와 중성자를 포착했기 때문에 이것이 가능했다. 이 데이터를 통해 납이 양성자를 하나, 둘 또는 세 개 잃는 빈도를 파악할 수 있다. ALICE 연구팀의 울리아나 드미트리에바는 "이 분석은 LHX에서 금 생성의 특징을 감지하고 실험적으로 분석한 최초의 연구다"고 설명했다.

수십억 개의 금 핵 - 하지만 富는 없다

결과:
ALICE 검출기에서만 납 충돌로 초당 최대 8만 9천 개의 금 핵이 생성된다. 입자 가속기의 3년 2차 가동 기간 LHC에서 총 약 860억 개의 금 핵이 생성되었다고 연구진은 밝혔다. 3차 가동에서는 그 수가 약 두 배로 증가했다. 연구팀은 "납을 금으로 변환하는 것은 중세 연금술사의 꿈이었으며, LHC에서는 그 꿈이 실현될 것이다"고 기술했다.

하지만 이것이 가속기 내부가 이제 금으로 뒤덮였다는 것을 의미하지는 않는다. 860억 개의 금 원자핵의 무게는 모두 29pg(피코그램)에 불과하다. 이는 적혈구 무게의 3분의 1에 해당한다. LHC에 있는 금을 모두 사용해도 작은 보석 하나 만드는 데도 부족할 정도다. 게다가 충돌로 생성된 금 원자핵은 가속기 링을 따라 고속으로 질주하다가 링의 벽이나 다른 구성 요소와 충돌하여 붕괴된다. 따라서 이 금은 짧은 시간 동안만 존재한다.

현대 연금술이 여전히 가치 있는 이유

LHC의 물리학자들은 현대 연금술을 실천하고 있을지 모르지만, 그들의 실험으로 돈을 버는 사람은 아무도 없다. 지식의 측면에서만 빼고는 말이다. ALICE 연구팀의 존 조엣은 "우리의 결과는 전자기 해리의 이론적 모델을 시험하고 개선하는 데 도움이 된다"며 "이 결과를 활용하여 LHC와 미래 가속기의 성능을 제한하는 가속기 링을 따라 발생하는 빔 손실을 더 잘 이해할 수 있다"고 설명했다.
(Physical Review Journals, 2025; doi: 10.1103/PhysRevC.111.054906)
출처: CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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