거대가속기와 지구의 안정성 논란 물리 이야기



언론에게 전문 과학자들의 논의보다는 아마추어의 센세이션이 더 큰 관심을 끄는 것 같다.



9월 10일 스위스 현지시간 오전 9시 30분으로 공식 예정된 거대 강입자 가속기(The Large Hadron Collider, LHC)가 가지고 있는 흥미로운 가능성 중 하나인 '미니 블랙홀' 생성에 대해서 일부 아마추어들이 '둠스데이' 시나리오를 제기하고 나선 일에 대해서 위 기사는 소개하고 있다. 만들어진 블랙홀이 주변의 물체를 잡아먹고 지구를 잡아먹는다는 상상은 분명 두려운 것은 사실이다.

하지만!

제 블로그의 독자시라면 이것이 이미 과학자들에 의해 폐기된 논의이며 실제 지구의 안정성에 대해서는 아무런 걱정을 할 필요가 없다는 것을 잘 알고 계실 것이다. (관련 포스팅 보기 )

아무튼 어떤 논의가 가장 확실하게 지구의 안정성을 보장해 주는지 다시 한 번 생각해보자.

여기서 핵심은 과연 고에너지 입자 충돌과정에서 생성된 '블랙홀이 안정할 것인가'이다. 만약 블랙홀의 수명이 충분히 길다면 (예를 들어 나노초 이상이라면) 뒤이어 날아온 입자들이 블랙홀과 충돌하게 될 것이며 이 과정에서 블랙홀은 더 큰 에너지를 얻게 될 것이다. 이 경우 블랙홀은 점점 커지게 되며 결국 지구 중심으로 가서 지구 전체를 삼킬 수 있게 된다. 블랙홀의 수명이 길면 길수록 위험도는 더욱 커진다.

과학자들은 블랙홀의 수명이 아주 긴 경우에 대해 고려해 보았다. 호킹의 물리학 법칙에 따르면 작은 블랙홀의 수명은 나노초에 비해서 10의 18승 배 이상 짧을 것이라고 예측되지만 (그래서 지구가 안전하다고 생각되지만), 대신 작은 블랙홀의 수명이 충분히 긴 경우가 과연 발생할 수 있는지 관측적 사실에 바탕을 두어 한 번 따져보자는 것이다. 만약 충분히 수명이 긴 경우가 관측적 사실과 아무런 모순을 일으키지 않는다면, 호킹의 계산이 틀릴 일말의 가능성이 남아있다고 생각할 수 있을 것이다. 그리고 지구의 안정성에 대해서 보다 심각하게 고려해야할 것이다. 하지만, 만약 그런 경우가 관측사실로 부터 이미 발생할 수 없다는 것이 밝혀진다면 지구의 안정성은 보장된다고 볼 수 있다. 나아가 호킹의 계산이 맞다는 간접적인 증거로 볼 수도 있겠다.

기본적으로 다음 두가지 논의가 물리학자들이 내놓은 지구의 안정성에 대한 답이다. 보다 자세한 계산을 할 수도 있겠지만, 생략하고 기본적인 아이디어만 소개한다.

첫째, 지구로 날아드는 우주입자(cosmic ray)에 의해 블랙홀은 이미 생성되고 있다.


만약 LHC에서 미니 블랙홀이 생성된다면, 이미 우주입자와 대기중에 있는 공기 입자 충돌에 의해서도 블랙홀이 생성될 수 있다는 것을 깨달을 필요가 있다. 다시 말해 이미 대기에는 많은 블랙홀이 생성, 소멸을 거듭하고 있을 것이라는 이야기다. 그런데 우리 지구는 이미 45억년 이상 안정하게 유지되고 있다. 따라서 미니 블랙홀이 소멸하지 않고, 주변의 물질을 잡아 먹는 충분히 긴 시간 동안 생존해 있을 가능성은 없다고 볼 수 있다.

둘째, 중성자별과 백색왜성에서 미니 블랙홀은 더욱 많이 생성되고 있다.


실상 지구보다 훨씬 밀도가 높은 천체에서 우주입자에 의한 미니 블랙홀 생성 확률은 더욱 커진다. 단순히 생각해서 더 많은 입자들이 우주입자를 기다리고 있으며 따라서 더 큰 확률로 미니 블랙홀이 생성될 것이기 때문이다. 따라서 중성자별과 백색왜성들이 수없이 발견되고 있다는 사실 자체가 미니 블랙홀이 쉽게 소멸하며, 그 천체를 잡아먹지 않는다는 것을 보장한다.

그런데 조금 미묘한 문제가 있다. 중성자별이나 백색왜성 주변에는 강한 자기장이 형성되기 때문에 우주 입자가 휘어져 나가 중성자별을 때리지 않을 가능성이 있기 때문이다. 예를 들어 중성자별의 경우 기가 가우스(10의 9승 가우스)에 달하는 자기장이 형성되어 있다는 것이 알려져 있다. 이 경우 전하를 띈 우주입자 (예를 들어 양성자)는 자기장에 의해 휘어져 만약 그 운동량이 충분히 크지 않다면 중성자별에 도달 할 수 없다. 그렇다면 얼마나 큰 운동량이 중성자별에 도달하기 위해 요구될까?

가장 단순한 추산은 다음과 같다.

중성자별 표면에서 라모어 반경(Larmor radius)과 중성자별의 반경을 비교하는 것. 만약 라모어 반경이 더 크다면 중성자별의 자기장의 효과로 휘어지는 정도가 작다는 이야기가 되며 따라서 우주입자는 중성자별을 때리게 된다. 그 결과 블랙홀이 생성될 수 있다.

라모어 반경 혹은 자이로레디어스(Gyroradius)는 자기장 속을 헤쳐나가는 전하를 띈 입자의 궤적의 반경으로, 전자기학을 열심히 공부한 학생은 누구나 쉽게 계산할 수 있다.

r (Larmor) = p/ (q B)

여기서 p는 운동량, q는 전하, B는 자기장의 세기. 따라서 라모어 반경이 중성자별 반경 보다 크다는 조건으로 부터 다음 조건을 읽을 수 있다.

p > q B r

자기장의 세기가 기가 가우스, 중성자별의 반경을 10 km로 대입하면 우변은 대략 10^18 eV 정도가 된다. 즉, 10^9 GeV 이상되는 우주선 입자에게 중성자별의 자기장은 실상 '별 것 아닌 것'이다. 중성자별을 이루고 있는 핵입자가 1 GeV 정도 질량을 가지고 있다면 우주선 입자와 충돌 에너지는 대략 10 TeV 이상으로 볼 수 있으며, 이 에너지 대역은 LHC의 입자 충돌 에너지인 14 TeV와 거의 비슷하다. 즉, 중성자별 표면에서 LHC 실험이 이미 수십억년 이상 진행 중인 것으로 볼 수 있다는 말이 된다. 그런데 중성자별은 여전히 미니 블랙홀에 먹히지 않고 우리에게 관측되고 있다.

이상의 논의는 충분히 '이론과 독립적인 (theory independent)' 논의로 설사 호킹 박사의 계산과 고차원 블랙홀에 대한 최근의 계산이 틀렸다고 해도 지구의 안정성을 의심할 필요가 없다는 것을 말해주고 있다.

중성자별에 대한 논의는 대만에서 저녁 식사중 히토시 무라야마 교수와 논의 도중 나온 것으로, 최근 논문에서 같은 결과를 보여주고 있다. (see e.g., Peskin's APS article on the safety issue of the LHC)

**세줄 요약**
1. LHC에서 미니 블랙홀이 만들어져 지구가 먹힐까 걱정하는 사람들이 있다.
2. 우주입자들이 지구 대기권, 중성자별과 백색왜성을 때려 이미 수십억년 동안 블랙홀을 만들어왔지만 멀쩡하다.
3. LHC는 안전하니 쓸데없는 걱정 마시라!

핑백

  • 餘分D: physics and fun : The LHC is safe 2008-08-24 09:07:17 #

    ... llis)는 arXiv에 950편이 넘는 논문을 등록시킨 바로 그 사람이에요. 그의 논문 리스트 도 한 번 보시죠. 대단한 다작이에요. **관련 글 읽기** http://extrad.egloos.com/1798969 ... more

  • 餘分D: physics and fun : LHC 소식, 예술적인 영상 하나 더 2008-09-18 07:37:00 #

    ... 에요. LHC를 좀 더 그럴듯하게 표현했으면 좋았을텐데 그 부분이 아쉽습니다. 다시 한 번 말씀드리지만 이 영상은 완전한 픽션이며, LHC에서 이런 일은 절대 발생할 수 없습니다. ([여기], [여기], [여기], [여기], [여기]를 보세요.) 개인적으론 저 영상을 만든분이 그 노력을 들여서 LHC의 물리학을 이해하고, 그것을 알리는 영상을 만들었다면 더 좋았을 ... more

  • 餘分D: physics and fun : LHC 법정에서 크랙팟을 이기다 2010-09-04 06:45:10 #

    ... 피해 혹은 그 위협을 입증하지 못했고, 또 소송 상대를 잘 못 선택 (^^::)했다는 거죠. 판사의 판단은 과학적 근거에 비추어 보아도 타당하기에 소송 기각을 환영합니다. extrad, Aug 2008 영어 판결문을 읽어보는 것도 재밌을 것 같아 전체 본문을 옮겨놓습니다. [via Symmetry Meagazine] Appeal from the United Sta ... more

덧글

  • 새벽안개 2008/08/19 18:17 #

    조선일보는 진실에는 관심이 없고 오로지 떡밥에만 관심이 있군요.
  • ExtraD 2008/08/24 09:08 #

    어쨌거나 LHC에 대한 관심에 감사를..^^
  • 시퍼렁어 2008/08/19 18:50 # 삭제

    사실적인 떡밥이라면 지구상 핵무기가 모두 폭발 하면 지구가 반토막 날것이다 정도는 어떨까요.......
  • ExtraD 2008/08/24 09:09 #

    그건 더이상 뉴스가 아니라서 ..
  • jh 2008/08/19 19:56 # 삭제

    지난 주, 이곳 CERN에서 LHC의 안정성과 관련된 Ellis의 매우 괜찮은 콜로퀴움이 있었습니다. 후반부에는 점점 과격해지는 양상의 anti-LHC들에 대해서도 얘기하더군요.

    아마 http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=39099에서 보실 수 있을 겁니다.
  • ExtraD 2008/08/24 09:09 #

    Thanks!

    관련 포스팅을 하나 했습니다.
    혹시 사진 찍으신거 있으면 좀 보내주세요~
  • 에링 2008/08/19 23:26 # 삭제

    조선일보에게 더 나은 기사를 기대하는건 무리에요.
  • ExtraD 2008/08/24 09:10 #

    과학 관련 기사는 좀 더 잘 써주길 기대합니다.
  • phice 2008/08/20 00:30 #

    일반지 기자들이 반드시 과학적 지식을 토대로 기사를 쓰는 것은 아니니까 말입니다.
  • ExtraD 2008/08/24 09:10 #

    전문성을 가진 기자들이 절실해요.
    이건 정말 문제라고 생각합니다.
  • 치호 2008/08/20 03:34 #

    오오 페스킨(...)
    마지막 말이 와닿네요. 이런 실험 계속 하려면 일반인들에게 실험의 의의에 대해 제대로 알릴 필요가 있다;;
  • ExtraD 2008/08/24 09:11 #

    페스킨의 글도 좋고, 존 엘리스의 콜로키움 발표슬라이드도 좋아요.
  • 바람의자유 2008/08/20 22:30 #

    뭐, '조선일보' 니까요;
  • ExtraD 2008/08/24 09:13 #

    전문가 의뢰가 필요없다고 생각한걸까요?
  • 타임워커 2008/08/22 01:20 # 삭제

    안녕하세요 ^-^ APCTP 2008 LHC workshop 에 참석했던 경북대학교 학부생입니다. 학부생들을 위해 해주신 좋은 발표 감사히 잘 들었습니다. 예전부터 글은 많이 읽었었는데 덧글을 달아보기는 처음이네요 ^-^ 전반적으로 연사님들 발표가 학부생이 이해하기에 너무 어려워서 앉아있는 내내 참 힘들었는데 비교적 쉽게 설명해주셔서 좋았어요 @_@aㅋ; 앞으로 종종 들러서 좋은 글들 많이 읽고 갈게요. 좋은 발표 감사드립니다 ^-^
  • ExtraD 2008/08/24 09:13 #

    제 강의에 들어오셨군요.

    좀 더 이야기를 나눴으면 좋았을텐데 제가 오후에 일찍 자리를 떠야해서..
    암튼 감사합니다.
  • ddd 2008/08/23 10:20 # 삭제

    주인장/몰라서 질문 하나 던집니다. 블랙홀의 decay mechanism은 뭔가요? 그냥, 불확정성 원리에 의해 에너지를 방출하는 것 때문인가요?
  • ExtraD 2008/08/24 09:16 #

    호킹 복사가 메커니즘입니다.

    조금더 전문적으로 이야기 하면, 블랙홀의 사건의 지평선 근처에서 '진공'과 블랙홀에서 충분히 멀리 떨어진 곳에서 '진공'이 동일하지 않기 때문에 생기는 현상인데요, 보통 교과서의 설명이라면 '사건의 지평선 근처에서 쌍생성된 입자가 블랙홀로 삼켜지는 확률보다 밖으로 나가는 확률이 미세하게 크기 때문에 생기는 현상'이 호킹 복사입니다.
※ 로그인 사용자만 덧글을 남길 수 있습니다.



Physics

\begin{eqnarray} \hbar c =197.3 \text{MeV fm}\\ (\hbar c)^2=0.389 \rm{GeV}^2 \rm{mb}\\ 1.0{\rm pb}=\frac{2.568\times 10^{-3}}{\rm TeV^2}\\ =10^{-40} {\rm m}^2 \end{eqnarray}

추천 읽을 거리(click!)


-대칭성의 자발적 붕괴
-대학원생을 위한 조언
-차원변환(DT)
-중성미자가 가벼운 이유 (1, 2, 3)
-힉스입자가 발견되면 좋은 점
-물리학자의 나이와 전성기
-시드니 콜만의 전설적인 강의

mathjax