[스위스] 유럽입자물리연구소(CERN), 연구지원행정의 효율성 향상 및 R&D 성과관리 20160613
신의 입자라 불리는 힉스 입자를 증명
박동완 대기자
2024-06-14 오후 8:30:16
□ 연구지원행정의 효율성 향상 및 R&D 성과관리
유럽입자물리연구소(CERN)
CH 1211 – Geneva 23
Tel: +41 22 767 84 84
 
스위스       제네바



◇ 정치와 전혀 무관한 순수 입자물리연구소


○ 유럽입자물리연구소(Organisation Europeenne pour la Recherche Nucleaire, CERN)는 스위스 제네바 교외의 메이런(Meyrin)에 본거지를 둔 세계 최대 규모의 소립자 물리학의 연구소로 원래 명칭은 프랑스어로 Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire였고, 이 머리글자를 이용해 CERN으로 불린다.

현재의 명칭은 Organisation Europeenne pour la Recherche Nucleaire으로 바뀌었지만, CERN이란 약칭은 계속 쓰이고 있다.

○ CERN은 제2차 세계대전 후 유럽 12개국이 참여한 국제 공동연구소로 1954년 창립한 이래 회원국이 21개 국가로 늘어났다. 연간 약 1조2천억 원(1,000백만CHF) 규모의 예산을 회원국들의 GDP에 비례해 분담금을 갹출하는 형태로 운영되고 있다.

○ 회원국은 오스트리아, 벨기에, 불가리아, 체코, 덴마크, 핀란드, 프랑스, 독일, 그리스, 헝가리, 이스라엘, 이탈리아, 네덜란드, 노르웨이, 폴란드, 포르투갈, 슬로바키아, 스페인, 스웨덴, 스위스, 영국 등 21개국이며, 파크스탄과 터키는 준회원국이다.

멤버쉽 취득을 기다리는 국가는 키프로스, 루마니아, 세르바이 3개국이며, 회원 및 준회원국에 지원한 구가는 브라질, 크로아티아, 인도, 리투아니아, 러시아, 슬로베니아, 우크라이나 등7개국이다. 위원회에 참여는 할 수 있지만 의사결정권이 없는 옵저버 국가는 일본, 러시아, 미국, EU, JINR, UNESCO 등이다.

○ 또한 우주생성의 근원 등을 밝히기 위해 지하 100m 깊이에 세계 최대의 강입자가속기(LHC)를 1996년부터 건설하기 시작해 2009년 11월부터 정상 가동하고 있다.

○ CERN은 설립 초기부터 입자 가속기 등을 이용해, 고 에너지 물리학 연구에 많은 기여를 하였다. 또한 물리학자들의 문헌 검색 및 제휴를 위하여 고안된 HTML과 WWW의 발상지로도 유명하다.

○ CERN은 프랑스의 물리학자 루이 드 브로이 공작의 의견으로부터 시작됐다. 1949년 12월 프랑스 원자력 고등위원회의 자문의원이었던 드 브로이는 스위스 로잔에서 열린 컨퍼런스에서 “여러 참가국 개개의 상황으로는 감당하기 어려운 과학 연구를 수행할 수 있는 실험실이나 연구소가 생기면, 국가적인 시설 이상의 자원에 힘입어 규모와 비용 면에서 개별 국가의 범위를 넘어서는 과업을 수행할 수 있다”고 주장했다.

결국 1951년 12월 파리에서 열린 유네스코 회의에서 연구소를 설립하는 평의회 설립에 대한 결의안이 채택되었고, 두 달 후 11개국이 결의안에 서명해 평의회와 CERN이란 이름이 탄생했다. 연구소 부지는 1952년 10월 제네바로 결정되었다.

◇ 글로벌화되는 연구 인력

○ CERN의 정직원은 2300여 명이며 이 중 10%만이 물리학 전공자고 나머지는 기타 연구분야 및 행정직이다. 1,400여명이 포스닥이나 엔지니어처럼 시작단계의 계약인력이며 1만2,500명이 CERN의 시설을 이용해서 연구하는 외부 대학 및 기관에서 온 연구 참여자들이다.

○ CERN의 시설을 이용하는 연구인력의 분포를 보면 회원국 출신이 7,279명으로 가장 많고 옵저버 국가 출신이 3,361명으로 그 뒤를 잇는다. 한국에서도 145명의 인력이 CERN과 함께 연구를 하고 있다.

○ 과학자들의 연령분포를 살펴보면 65세 이상의 고령자도 여전히 연구를 하고 있다는 점과 20대의 젊은 과학자들이 많이 참여하고 있다는 것을 알 수 있다. 가장 많은 나이가 27살이다.

○ 가속기 실험에 참여하는 3,000명 이상의 박사과정생들이 가속기 실험에 참여하고 있으며 이들이 학위 이후 진출하는 곳을 조사해보니 45%가 산업계로 진출하고 있으며 특히 컴퓨팅과 엔지니어링 분야로 많이 가고 있다.


▲ CERN 연구 참여자의 나라별 분포(2016년 1월)[출처=브레인파크]



▲ 과학자들의 연령별 분포[출처=브레인파크]


◇ 신의 입자라 불리는 힉스 입자를 증명

○ 영국의 피터 힉스 에든버러 대학 명예교수는 지난 1964년 CERN의 학술지 ‘물리학 레터’를 통해 물질을 구성하는 입자들의 종류와 입자들 사이에서 작용하는 힘들을 설명하는 현대 이론물리학의 ‘표준모형’에서 가장 중요한 힉스 입자의 메카니즘을 가설로 내놓았다.

○ 그러나 힉스 입자 가설은 지난 49년 동안 관측되거나 입증되지 못한 채 이론으로만 정립되어 오다 CERN이 2008년 거대강입자가속기(LHC·Large Hadron Collider)를 가동하면서 증명하게 되었다.

CERN은 2012년 7월 LHC 충돌실험을 통해 힉스 입자를 99.999994% 확률로 발견했다고 발표했으며 2013년 3월 우주 탄생의 비밀을 밝히는 열쇠로 알려진 ‘신의 입자’로 불리는 힉스 입자의 존재를 입증했다.

◇ CERN의 상징인 가속기와 충돌기

○ CERN은 힉스 입자를 발견한 CMS 검출기를 비롯해 빅뱅 재현을 통한 우주 초기상태 연구를 중점적으로 하는 앨리스(ALICE) 검출기, 힉스 입자 등 입자의 표준모델 입증을 주로 하는 아틀라스(ATLAS), 제네바 공항 쪽에 위치한 LHCb 검출기 등 4대의 대형 검출기를 LHC 중간 중간에 배치해 연구목적에 따라 해당 검출기를 운용하고 있다.


▲ 가속기 위치도[출처=브레인파크]


○ 양성자와 원자핵 같은 강입자를 7 TeV(테라 전자볼트)의 에너지로 가속시키는 둘레 27㎞의 타원형 LHC의 둘레에 일정한 간격으로 검출기를 배치하고 실험 목적에 따라 충돌 장소를 조절하며 충돌 직후 재현되는 빅뱅상태의 연구를 통해 현대 물리학의 이론과 가설들을 검증하고 있는 것이다. 이 때문에 CERN이 LHC를 가동해 실험을 시작하면 전 세계에서 수천 명의 물리학자들이 참여한다.

○ LHC는 2012년 ‘신의 입자’ 힉스를 발견하고 난 이후 2013년 2월부터 가동을 중단하고 2년간 업그레이드 작업을 해왔다. 2015년 4월 재가동의 성공으로 2018년까지 3년간 다시 입자 실험을 시작하고 있다.

○ LHC는 세계에서 가장 큰 과학 실험 장비이자 인간이 만든 가장 큰 기계이다. 스위스와 프랑스 국경지역 100m 땅속 깊이에 지름 8㎞에 둘레만 무려 27㎞ 타원형의 지하터널이 설치되어 있다.



○ 과학자들이 양성자 에너지를 이렇게 높여 충돌시키려는 이유는 인간이 찾지 못한 더 많은 입자를 찾아내기 위해서다. 양성자는 충돌 에너지 때문에 그 구성 성분들인 쿼크나 글루온과 같은 소립자로 부서지는데, 충돌 에너지가 클수록 양성자를 깨뜨려 그 안의 소립자에 전달할 수 있는 에너지도 커진다.


▲ LHC에 들어가는 초전도 솔레노이드 전자석의 자철심[출처=브레인파크]


○ 가속된 양성자가 충돌하는 곳은 4곳(CMS, ATLAS, ALICE, LHCb) 검출기)이다. 일정한 간격으로 배치된 이 4곳에 건물 6층 높이의 거대한 입자 검출기가 설치돼 충돌로 얻은 높은 에너지가 어떤 입자를 생성하는지를 관찰한다.

4대의 대형 검출기 외에도 고에너지 우주선(cosmic ray)을 시뮬레이션하는 포워드(LHCf)와, 양성자 충돌을 추적해 그 내부 구조를 밝히는 토템(TOTEM) 등 2개의 소형 검출기가 설치되어 있다. 이들 검출기는 마치 X선 사진기처럼 입자 충돌 후 고에너지 상황에서 깨진 입자들이 튀는 궤적을 검출한다.

◇ 연구 결과물들의 스핀오프 지원으로 사회혁신에 대한 기여

○ CERN에서 입자물리학을 연구하는 과정 중에 도출되는 다양한 실험결과물들은 사회혁신에 큰 기여를 하고 있으며, CERN에서도 사회에 도움이 되는 응용연구에도 노력을 하고 있다.

예를 들어 가속화된 입자빔에서 나오는 검출된 입자를 연구하기 위해 대규모의 Grid 컴퓨팅 시스템이 개발되었다.

○ 암치료에 있어 프로톤을 메탈에 충돌시켰을 때 발생하는 에너지를 이용하면 X레이에 비해 훨씬 집중시켜 사용할 수 있어서 다른 조직에 손상없이 암 세포만을 죽일 수도 있다.

병원에서 사용하는 PET 스캐너 역시 1900년대 CERN과 제네바 의과대학이 공동연구를 통해 개발한 것으로 현재도 유용하게 사용되고 있다.

○ IT분야에도 CERN의 연구결과가 적용되고 있다. 충돌했을 때 나오는 수많은 데이터를 저장하는 장치가 전세계 13곳에 있으며 대전 KISTI에도 위치하고 있다.

여기서 나온 데이터는 40여개국 170여 곳의 기관과 대학에 있는 컴퓨터에 저장되는데 데이터 전송 및 저장방식이 매우 효율적인 방식이라서 다양하게 활용될 수 있다. 클라우딩 저장방식도 이 모델의 한 방법인 것이다.

◇ 과학문화 확산을 위한 교육프로그램 운영

○ CERN에서는 다양한 대상별로 참여할 수 있는 교육 프로그램을 운영하고 있다. 물리학 연구소답게 물리 교사 대상 프로그램 및 물리학 전공자 학생을 위한 프로그램이 있으며, 영 리서처 및 CERN 내 과학자를 위한 프로그램도 있다.

○ CERN 내에서만 진행되는 것이 아니라 일본, 인도, 중국 같은 아태 지역에도 운영되며 브라질, 페루, 에콰도르 같은 남미지역에서도 열리고 있다.

○ 교사 프로그램을 살펴보면 1998년부터 2015년까지 총 9,509명의 교사들이 참여했으며 3주간 영어로 진행된다. 회원국에서 7,916명으로 가장 많이 참여하고 있으며 한국의 경우 48명이 참여하였으며 한국어로 진행되었다.

◇ 한국과 CERN의 상호협력적인 관계

○ CERN과 한국이 협력적인 관계를 맺은 것은 1997년 ALICE와 CMS의 가속기 실험에 참여하면서부터 시작되어 오랜 기간 지속되고 있다.

현재 ALICE에는 강릉원주대, KIST, 부산대, 세종대, 연세대 등 5개 기관이 참여하고 있으며 CMS에는 충북대, 충남대, 강원대, 고려대, 경북대, 성균관대, 서울대 등 7개가 참여하고 있다.

○ 주로 검출기 건설, 데이터 분석, 그리드 컴퓨팅과 관련된 분야에서 참여하고 있으며 검출 능력을 높이는 연구에도 많은 참여를 하고 있다.

□ 질의응답

- 가속기가 지하 100미터 아래 있는데 지형적으로 안정된 곳이라서 선정된 것인지 아니면 정치적 영향으로 인해 선택된 것인지.

"40년대 논의가 시작될 때에는 영국, 독일 등 여러 국가가 후보였으나 중립국이라는 정치적 요인과 함께 물리학 연구그룹이 주로 프랑스나 스위스에 있었기 때문에 현재 위치에 자리잡게 되었다.

지하 40~50미터까지는 빙하지역이라는 특징으로 인해 바위나 얼음 등이 섞여 있으나 그 아래로 내려가면 안정적인 바위가 있다. 지질, 지형학적인 요건 때문에 제네바를 선택한 것은 아니다."

- 대형 사업을 기획하는 단계에서 회원국의 협의나 승인을 거치는지 아니면 별도의 프로세스가 마련되어 있는지.

"일반적인 운영 예산 안에 들어오는 것은 협의회(council)에서 결정하며 하부 위원회(committee)에서 재무, 안전, 정책 같은 것들에 대한 의견을 개진한다.

예산이 많이 투입되는 프로젝트는 스페셜 펀드가 필요하므로 미국, 캐나다, 일본 같은 자금을 많이 투자하는 나라도 결정권을 갖는다."

- 10년 이상의 장기사업을 진행하는 과정 중에 점검이나 평가를 거치는지.

"장기 프로젝트의 경우 각각의 거버넌스에서 5년에 한번씩 회의를 한다. CERN은 입자가속기가 중심인 연구기관이므로 가속기 운영에 관련한 위원회들이 프로젝트 관리에 대한 협의를 한다. 과정 중간에 방향을 바꿀 수는 있으나 고려하는 시간이 오래 걸린다."

- 시설이나 설비 운영을 하면서 지역주민들의 민원 제기나 갈등 발생 등은 없었는지.

"기본적인 정책은 정보 공개이며 커뮤니티에서 방문을 희망하면 언제든지 개방하고 정책에 대한 설명을 한다. 자연방사능보다 더 적은 수준으로 노출된다는 점도 솔직하게 보여준다."
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