ATLAS가 LHC를 ‘우주선 실험실’로 바꾼 방법

2025년 7월 CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)는 역사상 처음으로 양성자 빔과 산소 이온 빔을 충돌시켰다. ATLAS 실험은 이를 통해 우주에서 날아온 고에너지 입자가 지구 대기와 처음 부딪힐 때 벌어지는 과정을 통제된 조건에서 모사했다. 69

핵심은 ‘우주선 전체’를 재현한 것이 아니라, 대기 중 입자 소나기(air shower)를 시작시키는 첫 충돌을 정밀 측정했다는 점이다.

양성자는 우주선, 산소는 대기 역할

이 실험에서 양성자 빔은 지구로 유입되는 우주선을, 산소 이온은 대기 속 원자핵을 나타낸다. 지구 대기는 대부분 질소와 산소로 이뤄져 있으므로, 양성자-산소 충돌은 우주선이 대기권에 진입한 직후의 핵심 상호작용을 연구하는 직접적인 방법이다. 9

충돌 에너지는 9.62 TeV였다. 실제 우주선 입자 소나기는 대기 수 km 이상에 걸쳐 연쇄적으로 전개되지만, ATLAS가 겨냥한 것은 그 출발점인 미시적 충돌 물리였다. 6

ATLAS가 측정한 것

분석에는 조건을 충족한 2억4,600만 개의 충돌 사건이 사용됐다. 각 사건에는 횡운동량이 500 MeV를 넘고, 검출기 분석 범위인 |η| < 2.5 안에 있는 하전입자 궤적이 최소 하나 포함됐다. 여기서 η(슈도래피디티)는 빔 방향을 기준으로 입자가 어느 각도로 방출됐는지를 나타내는 변수다. 9

ATLAS는 하전입자의 궤적을 바탕으로 다음을 측정했다.

• 생성된 입자의 수와 생성률
• 횡운동량 분포
• 방출 각도와 관련된 슈도래피디티 분포
• 충돌이 일어날 확률의 척도인 상호작용 단면적 69

실험의 정의된 측정 범위에서 양성자-산소 단면적은 396 ± 6(실험) ± 9(광도) mb로 측정됐다. 이를 양성자-공기 충돌로 이론적으로 외삽한 비탄성 단면적은 406 ± 6(실험) ± 9(광도) ± 28(이론) mb였다. 9

ATLAS 요약에 따르면 입자 수, 횡운동량, 슈도래피디티 측정의 불확실성은 수% 수준이다. 이는 우주선 입자 소나기 시뮬레이션에 쓰이는 강입자 상호작용 모델들 사이의 예측 차이보다 약 한 자릿수 작다. 69

왜 우주선 연구에 중요한가

지상 우주선 관측소는 대개 처음 들어온 우주선을 직접 포착하지 못한다. 대신 대기와 충돌한 뒤 생기는 2차 입자들의 소나기를 관측하고, 그 흔적으로 원래 입자의 에너지와 질량 조성 등을 추정한다. 이 추정은 대기 속 강입자 충돌을 계산하는 시뮬레이션에 의존하지만, 기존 모델들은 완전히 일치하지 않는다. 6

양성자-산소 데이터는 모델 개발자들이 상호작용 확률, 입자 생성량, 운동량 분포, 방출 각도, 단면적을 실제 실험 결과에 맞춰 조정할 수 있게 한다. 양성자-공기 충돌로의 외삽은 이 결과를 실제 대기 환경과 더욱 직접적으로 연결한다. 69

초고에너지 우주선의 정체를 좁힐 실마리

처음 유입된 입자가 양성자인지, 더 무거운 원자핵인지에 따라 입자 소나기의 발달 방식과 사건별 변동은 달라진다. 따라서 더 잘 보정된 시뮬레이션은 초고에너지 우주선이 주로 수소 원자핵인지, 혹은 더 무거운 원소의 원자핵인지 판단할 때의 체계적 불확실성을 줄일 수 있다. 다만 이는 새 데이터가 가져올 수 있는 장점이지, ATLAS가 이번 측정만으로 우주선 조성을 직접 판정했다는 뜻은 아니다. 69

우주선의 조성은 기원 연구에도 중요하다. 원자핵의 전하와 질량은 자기장에 의한 휨과 가능한 최대 가속 에너지에 영향을 준다. 조성 추정이 개선되면 폭발성 항성 환경이나 초대질량 블랙홀 주변 같은 후보 가속원 시나리오를 검증하는 데도 도움이 될 수 있다. 그러나 이번 ATLAS 결과가 특정 우주선의 발생원을 찾아냈거나, 특정 가속 메커니즘을 입증한 것은 아니다. 69

‘완전한 재현’은 아니다

LHC의 양성자-산소 충돌은 대기권 전체를 관통하는 우주선 입자 소나기를 그대로 복제한 실험은 아니다. 대신 그 소나기를 좌우하는 첫 상호작용을 정밀하게 보정하는 측정이다. 이론 모델에만 의존하던 부분을 통제된 실험 데이터로 바꿔, 우주선 관측 시뮬레이션의 기반을 더 단단하게 만든다는 데 의미가 있다. 69