LHC에서 납이 금으로 변환되는 현상 최초 검출

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  • CERN의 ALICE 협업이 LHC에서 납 원자핵이 금 원자핵으로 바뀌는 과정을 정량 측정해 Physical Review Journals에 발표함
  • 이 현상은 정면 충돌보다 훨씬 자주 일어나는 근접 충돌에서 강한 전자기장이 광자–원자핵 상호작용을 유도하며 발생함
  • 납은 양성자 82개, 금은 79개를 가지므로 LHC 빔의 납 원자핵에서 양성자 3개가 떨어져 나가야 금이 됨
  • ALICE는 ZDC로 방출된 양성자 수를 세어 납·탈륨·수은·금 생성을 구분했고, ALICE 충돌점에서는 금 원자핵이 최대 초당 약 89,000개 비율로 만들어짐
  • 2015–2018년 Run 2 동안 네 주요 실험에서 약 860억 개의 금 원자핵이 생겼지만 질량은 29피코그램에 불과하며, 생성된 금은 빔 파이프나 콜리메이터에 부딪혀 즉시 쪼개짐

납에서 금으로의 핵변환 측정

  • ALICE 협업은 CERN의 Large Hadron Collider에서 납이 금으로 변환되는 현상을 정량화한 측정을 Physical Review Journals에 발표함
  • 중세 연금술의 꿈이었던 납의 금 변환은 화학적 방법으로는 불가능하지만, 20세기 핵물리학 이후 무거운 원소가 방사성 붕괴나 입자 충돌로 다른 원소가 될 수 있음이 알려짐
  • 금은 이전에도 인공적으로 만들어진 적이 있으나, 이번 측정은 LHC의 납 원자핵 근접 충돌에서 일어나는 메커니즘을 대상으로 함

정면 충돌보다 자주 일어나는 근접 충돌

  • LHC의 고에너지 납–납 정면 충돌은 빅뱅 뒤 약 100만분의 1초 무렵 우주를 채웠다고 여겨지는 뜨겁고 조밀한 물질 상태인 쿼크–글루온 플라즈마를 만들 수 있음
  • 더 자주 일어나는 상호작용에서는 두 원자핵이 서로 “닿지” 않고 스쳐 지나가며, 주변의 강한 전자기장이 광자–광자 및 광자–원자핵 상호작용을 유도함
  • 납 원자핵은 양성자 82개를 포함해 전자기장이 특히 강함
  • LHC 안의 납 원자핵은 빛의 속도의 99.999993% 에 해당하는 매우 높은 속도로 이동함
    • 이 속도 때문에 전자기장 선은 운동 방향에 수직인 얇은 팬케이크 모양으로 압축됨
    • 그 결과 짧게 지속되는 광자 펄스가 만들어짐

금 원자핵이 만들어지는 과정

  • 광자가 원자핵과 상호작용하면 원자핵 내부 구조의 진동을 들뜨게 할 수 있으며, 이 과정은 전자기적 해리라고 불림
  • 전자기적 해리는 소수의 중성자와 양성자를 방출하게 만들 수 있음
  • LHC 빔 안의 납 원자핵에서 금을 만들려면 양성자 82개 중 3개가 제거되어야 함
    • 납 원자핵: 양성자 82개
    • 금 원자핵: 양성자 79개
  • 도식은 208Pb 납 이온 빔 두 개가 충돌하지 않고 가까이 지나가며, 광자–원자핵 상호작용으로 중성자 2개와 양성자 3개가 방출되어 203Au 금 원자핵이 남는 초주변 충돌을 보여줌

ALICE ZDC가 구분한 원소 생성

  • ALICE 팀은 검출기의 zero degree calorimeters(ZDC) 를 사용해 광자–원자핵 상호작용 뒤 방출된 양성자 수를 셈
    • 양성자 0개와 최소 1개 중성자 방출: 납 생성과 연결됨
    • 양성자 1개와 최소 1개 중성자 방출: 탈륨 생성과 연결됨
    • 양성자 2개와 최소 1개 중성자 방출: 수은 생성과 연결됨
    • 양성자 3개와 최소 1개 중성자 방출: 금 생성과 연결됨
  • 금 생성은 탈륨이나 수은 생성보다 덜 자주 일어남
  • 현재 LHC는 ALICE 충돌점의 납–납 충돌에서 금을 최대 초당 약 89,000개 원자핵 비율로 생성함
  • 생성된 금 원자핵은 매우 높은 에너지로 충돌 지점에서 나오며, 하류의 여러 지점에서 LHC 빔 파이프나 콜리메이터에 부딪힘
  • 금 원자핵은 그 자리에서 단일 양성자, 중성자, 다른 입자로 즉시 쪼개져 극히 짧은 시간만 존재함

생성량은 극히 작지만 빔 손실 이해에 중요함

  • ALICE 분석에 따르면 LHC Run 2 기간인 2015–2018년 동안 네 주요 실험에서 약 860억 개의 금 원자핵이 생성됨
  • 질량으로는 29피코그램, 즉 2.9 × 10^-11 g에 해당함
  • LHC는 정기 업그레이드로 광도가 계속 증가하고 있어 Run 3에서는 Run 2의 거의 두 배에 해당하는 금을 생성함
  • 전체 생성량은 여전히 장신구 하나를 만드는 데 필요한 양보다 수조 배 적음
  • ALICE ZDC의 기능 덕분에 이번 분석은 LHC에서 금 생성 신호를 실험적으로 체계 검출하고 분석한 첫 사례가 됨
  • 결과는 전자기적 해리 이론 모델을 시험하고 개선하는 데 쓰임
    • 이 모델은 LHC와 미래 충돌기의 성능을 제한하는 주요 요인인 빔 손실을 이해하고 예측하는 데 사용됨

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 관련 부분은 이거임: “ALICE 분석에 따르면 LHC Run 2(2015~2018) 동안 4대 주요 실험에서 약 860억 개의 금 원자핵이 생성됐다. 질량으로는 29피코그램(2.9 ×10-11 g)에 해당한다”
    1온스를 만들려면 조 단위로 스케일을 키우면 되지만, 납을 금으로 바꾸는 일—수많은 연금술사의 꿈—이 이제는 입자 가속기의 부산물이 됨

    • 계산해보니 금값이 온스당 48조×1조 달러쯤 되어야 LHC가 손익분기점에 도달함
    • 이 규모감이 정말 말이 안 됨. 860억 개 원자핵이 겨우 29피코그램이고, 1그램은 10^12피코그램임
      금 1그램에는 금 원자핵이 1,000 billion billion개 들어감
    • 납을 금으로 바꾸는 일이 입자 가속기의 부산물이 됐다니, 이게 궁극의 현자의 돌임
    • 누가 빨리 nVidia에 연락해야 함. 이미 GPU에 가속기를 통합하고 있고, 무어의 법칙보다 더 나은 확장성도 갖고 있음
    • 원래 찾던 부산물이 아니었다는 점을 보면, 이걸 주목표로 삼으면 숫자는 훨씬 올라갈 수 있을 것 같음

  • Brookhaven National Lab에서 박사 논문 연구를 했는데, 거기는 LHC 중이온 프로그램의 전신인 RHIC가 있는 곳임
    당시 한 선임 과학자가 진행 중인 프로그램 리뷰에서 있었던 대화를 들려줬음. 그때 RHIC는 중이온 프로그램에서 금을 충돌시키고 있었고, 한 리뷰어가 납 같은 더 싼 원소로 바꾸면 비용을 아낄 수 있지 않느냐고 물었음. RHIC 쪽 누구도 뭐라고 답해야 할지 몰랐다고 함. 정확한 숫자는 기억나지 않지만, 프로그램 전체 기간 동안 RHIC가 쓴 금은 대략 1밀리그램 미만이었음

    • 예전에 금 원자층 증착 장비가 있는 연구실에서 일한 적이 있음. 단일 원자층 금 한 층당 소액, 아마 몇 센트나 몇 달러 정도를 받았던 것 같음
      웨이퍼를 넣는 종 모양 챔버가 있었는데, 웨이퍼 크기와 상관없이 챔버 내부 전체가 균일하게 금으로 코팅됐음. 장비를 운영하던 기술자는 자기 샘플과 함께 반지를 챔버 안에 넣어두곤 했고, 몇 년에 걸쳐 층이 쌓이면서 점점 “금으로 바뀌게” 만들었음
    • 납으로 바꿨다면 지금쯤 금 몇 밀리그램은 만들어냈을지도 모름

  • 생성된 금은 금-203이고, 방사성이며 1분 만에 수은-203으로 붕괴함. 수은-203도 방사성임. 우리가 아는 금은 금-197임
    납을 금으로 바꾼 첫 사례도 전혀 아님. 납을 금-197로 바꾸는 변환은 1980년에 이미 이뤄졌음. 이런 경우 모두 생성량이 너무 작아서 귀금속으로서의 가치는 사실상 0임

    • 수은-203이라니 끔찍한 조합임. 수은은 그 자체로도 충분히 독성이 강한데, 굳이 방사성일 필요까지는 없음

  • 재미 삼아 LHC와 ALICE가 FCC 비용을 자체 조달할 만큼의 금을 만들려면 얼마나 걸릴지 계산해봄. 현재 CHF 기준 금값으로 150억 CHF를 가정하고, 완벽한 조건에 모든 한계를 무시했을 때임
    결론은 연속 가동으로 약 1,850억 년이 걸림. 참고로 우주의 나이는 약 140억 년임. 여기서는 허블 장력은 무시함

    • 금을 만드는 비용이 얻는 금값보다 더 클 테니, 사실상 무한한 시간이 걸린다고 봐야 함
    • LHC가 금 공급을 희석할 걱정은 안 해도 됨. 그건 소행성 채굴이 하게 될 것임
    • 같은 방식으로 금을 만들 거라고 가정하고 있음. 공정은 아마 더 나아질 가능성이 큼. 성장률을 넣으면 어떻게 될까?

  • 기술 발전 논의를 들을 때마다 이런 생각이 듦. 20세기 초에도 많은 사람이 기술의 정점에 가까워졌다고 생각했다는 주장이 자주 나오고, 오늘날에도 같은 주장이 나올 때 그 얘기가 다시 등장함
    지금 우리가 거기까지 왔다고 보진 않지만, 접근 중인 한계는 지식의 한계라기보다 자원과 공학의 한계에 더 가까운 느낌임. 문자 그대로 연금술은 있지만, 유의미한 양의 금을 만들 능력은 없음. 방법을 몰라서가 아니라 실용적이지 않기 때문임. 재료과학, 화학, 어쩌면 물리학이 실용 기술 면에서 앞으로 얼마나 더 줄 수 있을까? 분명 많겠지만, 이 분야들의 기술 발전 속도가 계속 유지되리라고는 생각하지 않음. 물론 즉시 기술에 적용되지 않더라도 배울 것은 엄청나게 많음
    적용 가능하고 실용적인 지식이 정말 풍부하게 남아 있는 곳은 생화학과 생물학이라고 봄. 아직 표면도 긁지 못했음. 빛보다 빠르게 이동하는 방법은 영원히 못 찾을 수 있지만, 몸을 수백 년이나 수천 년 동안 정지 상태로 유지하게 적응시킬 수 있다면 별문제가 아닐 수도 있음. 생물학을 쉽게 조작할 수 있게 되는 일은 핵 확산보다 훨씬 더 위험하다고 느낌. 아무튼 이 분야들의 전문가는 아님

    • 강하게 반대함. 재료과학과 화학은 아직 표면만 긁은 수준이고, 대체로 비교적 단순한 물질의 벌크 특성을 다루고 있음
      아직 탐색하지 못한 메타물질과 분자 기계의 설계 공간은 매우 넓음
    • 재료과학은 아직도 상당 부분이 교육받은 추측, 배합, 그리고 조성과 공정의 아주 작은 변화를 끝없이 시험하는 일종의 기술에 가까움
      이건 좋은 이론 틀과 수학 기법, 계산 능력이 있어도 옹스트롬 규모 이하에서는 어느 정도만 되고, 밀리미터 규모 이상에서는 FEM 같은 기계공학 도구가 있지만, 실제 물성 대부분이 생기는 나노~마이크로 규모는 사실상 계산 불가능하기 때문임. 원자 몇 개짜리 가벼운 계를 넘어선 제1원리 물성 계산도 아직 어렵다고 봄. 고급 수학과 미적분에 직관이 뛰어나 이런 문제를 풀 수 있는 사람이 아니라서, 이 분야 대학원 연구의 성격은 개인적으로 끌리지 않았음. 그래도 반도체 팹과 촉매 연구실은 체계적이고 반복적인 대량 실험 방식으로 큰 진전을 만들어냈음
      나노~마이크로 규모의 계산 가능성이 풀리면 산업혁명과 정보기술 혁명에 준하는 거대한 변화를 만들 것임. 생물학 혁명도 단백질 조작을 위해 기본적으로 비슷한 계산 가능성이 필요하다고 보지만, 박테리아를 활용하는 우회로도 있어 보임. 최근 몇 년간 가끔 나노~마이크로 규모의 수학과 계산 가능성에서 진전을 암시하는 논문을 봤고, 그래서 기술적으로 큰 진전이 있을 거라 꽤 희망적임
    • 흥, 특이점은 다음 주 화요일쯤 예정돼 있는데 아직 다이슨 구도 못 만들었음
    • 우리가 가진 지식과 기술 역량을 실제 적용으로 얼마나 밀어붙일 수 있는지는 흥미로운 질문임. 이해의 최전선이 아무리 멀리 가더라도, 그 뒤를 따라 적용 가능성의 최전선도 전진해야 하기 때문임
      그 둘의 관계를 설명하는 원리가 있을지 생각해볼 만함. 한때 벽에 부딪혔다고 느꼈던 이유는 민주주의가 겪는 뚜렷한 위기, 컴퓨터 처리 성능의 한계, 서비스가 내부에서 망가지는 엔시티피케이션, 고속철도 같은 일을 해내지 못하는 현실, 자율주행차의 더딘 진전, 도시의 기존 건물들이 오래 남아 하루아침에 사이버펑크식으로 바뀌지 않는다는 깨달음 때문이었음
      하지만 우리 시대가 민주주의 위협, 팬데믹, 전쟁으로 기억되지 않았다면, 과학 최전선에서 정말 중요한 발전이 있었던 시대로 기억할 여유가 있었을지도 모름. CRISPR와 AI만으로도 한 시대를 대표할 업적으로 충분함. 그래서 원래 논점으로 돌아가면, 지금까지의 발전은 지식의 최전선을 적용 가능성으로 옮기는 능력이 곧 둔화된다는 증거는 아직 아니라고 봄. 생각은 이해하지만 조금 더 낙관적임

  • 물리학자들이 비금속을 금으로 바꾸는 데 집착했던 진짜 이유가 LHC였던 건 아닐까 궁금해짐
    Newton은 생애 약 30년을 연금술에 썼고, 다른 업적들은 사실 부업에 가까웠음

    • 연구비가 끊길까 봐 걱정된다면, 납을 금으로 바꾸는 것도 우회 방법이 될 수 있음
    • 재미있는 일이긴 함. 오래전부터 가능하다는 건 알려져 있었지만, 비용이 터무니없이 비쌌을 뿐임
    • Ars Magna는 여전히 남아 있는 셈인가 봄. 연금술사들이 자연에 대한 종교적 이론을 엄청나게 고쳐야 한다는 충격만 극복한다면, 현대 화학의 시대를 정말 흥미롭게 봤을 것 같음
    • https://www.laphamsquarterly.org/magic-shows/miscellany/alch...
    • 분명 Anunnaki가 거대한 대기권 금 프로젝트에 마지막 승부수를 던진 것임

  • 역사적으로 왜 납과 금이 그렇게 밀접하게 연결됐는지 궁금함. 왜 연금술사들은 납을 금으로 바꾸는 데 집중했을까? 철이나 석영 같은 돌에서 시작하지 않은 이유가 뭘까? 그냥 둘 다 무겁고 무른 금속이라서였을까?

    • 당시의 유력한 이론은 금속이 땅속에서 자라며, 비금속에서 시작해 시간이 지나거나 특정 조건에서 더 높은 금속으로 변하고, 최종적으로 금에 이른다는 것이었음. 금이 녹슬지 않기 때문에 끝점이라고 본 것임
      당시 정보만 놓고 보면 아주 나쁜 이론은 아니었음. 모든 금속은 결국 땅에서 나오니까. 납을 금으로 바꾸겠다는 생각은 마법적 사고가 아니라, 자연 조건을 실험실에서 재현하고 가속하려는 시도였음. 오늘날 수백 가지 다른 방식으로 우리가 하는 일과 비슷함. 누군가 성공했다면 그 시대의 이중 슬릿 실험처럼, 연금술 이론이 맞다는 완전한 증명이 됐을 것임
    • 아마 납이 위조 동전에 쓰였기 때문일 가능성이 큼. 납 위에 얇은 금층을 입힌 방식임
      중세 영화에서 동전을 깨무는 장면을 알 텐데, 금인지 납인지 확인하려는 행동이었음. 그래서 납은 가짜의 화신이었고, 가짜를 진짜로 바꾸는 셈임
    • 기사에도 이렇게 나와 있음:
      “chrysopoeia라고 알려진 이 오랜 탐구는, 탁한 회색이며 비교적 풍부한 납이 아름다운 색과 희소성으로 오래 선망받아온 금과 비슷한 밀도를 가진다는 관찰에서 동기를 얻었을 수 있다”
    • 누군가에게 금칠한 납을 진짜 금으로 속여 넘기려면, 황철석을 속여 파는 것보다 쉬움. 다만 금의 훨씬 높은 녹는점은 들통나는 단서임
      연금술이 바꾸려 한 것은 원자적 성질이라기보다, 실험실에서 더 싼 금을 만들기 위해 녹는점과 색 같은 금의 특정 성질을 납으로 옮기는 일이었을 것 같음
    • 무게가 “충분히 가까웠기” 때문일지도 모름. 적어도 철보다는 가까우니 서로 밀접하게 관련됐다고 생각했을 수 있음. 그러니 조금만 손보면 반짝이고 아름다우며 40%쯤 더 무겁게 만들 수 있다고 본 것임
      은을 금으로 바꾸는 시도도 분명 했을 것임. 은은 무게가 더 가까우니 필요한 변화도 더 작다고 봤을 테니까

  • 연금술사들에게 필요했던 건 대형 입자 충돌기뿐이었음. 시대를 너무 앞서간 사람들이었음

    • 더 큰 변환진만 있으면 됨, 진짜임. 변환진 하나만 더 있으면 유기물을 금으로 바꿀 수 있음. 도시 전체를 둘러싸게 한 번만 더 그리면 됨
    • 현자의 돌은 고리 모양이어야 하고 지하 깊이 묻혀 있어야 한다니 누가 알았겠음

  • L. Ron Hubbard의 Mission Earth SF 시리즈에서 몇 년째 기억에 남는 장면이 있음. 지구 잠입 임무를 준비하던 주인공, 사실상 악역에 가까운 인물이 자기 도시의 핵융합 발전소가 가득한 곳에 가서 가져갈 금을 잔뜩 주문함
    결과적으로 지구 경제를 붕괴시킬 만큼 많은 금이 됨. 그런데 오래 남은 건 원소를 주문 생산한다는 발상임

    • 그건 500톤이었고, 80년대 달러로 대략 5억 달러 정도에 거래됐음. 꽤 큰돈이지만 지구가 흔들릴 정도는 아님. 그리고 그는 그걸 전부 잃어버렸음

  • 이건 단순히 입자 가속기 안에서 표적을 직접 폭격한 게 아니라, CERN에서의 근접 충돌로 납을 금으로 바꾸는 새로운 방식임. 생성량은 아현미경적이고 방사성임

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