LHC에서 납이 금으로 변환되는 현상 최초 검출

• ALICE 협력팀이 CERN의 LHC에서 고에너지 납 핵 충돌을 통해 납이 금으로 변환되는 과정을 정량적으로 측정함
• 이 실험은 근접 충돌 시 강력한 전자기장에 의해 납 핵에서 양성자가 방출되어 극소량의 금 핵이 탄생함을 보여줌
• ZDC 검출기를 이용해 납, 탈륨, 수은, 금의 생성 여부를 체계적으로 분석했음
• 생성된 금 핵은 매우 짧은 시간 동안 존재하며, 그 양은 극미량이어서 실제 보석 제작에는 미치지 못함
• 이번 연구는 전자기 소산 이론을 테스트하고 미래 가속기 성능 개선에 기여할 수 있는 새로운 데이터를 제공함

LHC에서 ALICE를 통한 납-금 전환 실험의 의의

• ALICE 협력팀은 CERN의 LHC에서 고에너지 납 핵의 근접 충돌 실험을 통해 납이 극소량의 금으로 변환됨을 실험적으로 최초로 체계적으로 검출함
• 이 연구는 중세 연금술사의 오랜 꿈이 핵물리학적 실제로 가능함을 보여주었으며, 새로운 전환 메커니즘을 측정함

연금술의 오랜 꿈과 핵물리학의 진전

• 전통적으로 납을 귀금속인 금으로 바꾸는 것이 연금술의 목표였으나, 실제로 두 원소는 전혀 다른 화학적 특성을 가짐
• 20세기에 들어 핵반응을 이용해 무거운 원소끼리 상호변환이 가능하다는 사실이 발견됨
• 과거에도 인공적으로 금을 만든 기록은 있으나, 이번에는 납 핵의 근접 충돌에서 발생하는 새로운 메커니즘에 의한 전환 현상을 정량 측정함

LHC에서의 납 충돌과 새로운 입자 생성

• LHC에서 납 핵끼리의 고에너지 정면 충돌에서는 쿼크-글루온 플라즈마가 생성됨
• 그러나 더 흔히 발생하는 근접 충돌에서는, 핵끼리 실제로 부딪히지 않아도 강한 전자기장이 발생함
• 이때 전자기 소산 과정이 발생하여, 광자-핵 상호작용에 의해 내부 구조가 진동하며 소수의 중성자와 양성자가 방출됨
• 금 생성에는 납 핵에서 세 개의 양성자 제거가 필요함

ALICE 검출기와 금 생성 측정

• ALICE 실험에서는 ZDC(Zero Degree Calorimeter) 검출기를 활용해 광자-핵 상호작용으로 생성된 핵 종을 구별함
• 이 방식으로 납, 탈륨, 수은, 금의 핵 생성량을 구체적으로 분석함
• 실험 결과, LHC ALICE 충돌점에서 초당 약 89,000개의 금 핵이 생성되는 것으로 측정됨
• 생성된 금 핵은 매우 높은 에너지로 LHC 구조물에 충돌하여 즉시 산산조각나며, 존재 시간은 극히 짧음

LHC 실험에서의 금 생성량과 의미

• LHC Run 2 기간(2015~2018) 동안 약 860억 개의 금 핵이 제작된 것으로 집계됨
• 질량으로 환산하면 단 29피코그램(2.9 ×10^-11 g)에 불과하여 실제 귀금속으로 활용 불가함
• 최신 Run 3에서는 금 생성량이 약 두 배로 증가했으나, 여전히 주얼리 한 조각도 만들지 못하는 수준임
• 이로써 중세 연금술의 꿈은 기술적으로는 실현됐으나 부의 실현과는 먼 실제임

ALICE 결과의 의의 및 미래 적용

• ALICE의 ZDC 덕분에 이번 분석이 LHC에서 금 생성 신호를 체계적이고 실험적으로 최초 검출 및 측정한 사례임
• 이번 결과는 전자기 소산 이론의 정밀화에 기여하며, 이러한 이론은 LHC 및 미래 가속기의 빔 손실 예측 등 실무적인 부분에서도 중요성 가짐