"연금술 현실화?" LHC, 금을 만들다? 2025년 최신 논문 속 핵물리학 연금술의 진실

"연금술 현실화?" LHC, 금을 만들다? 2025년 최신 논문 속 핵물리학 연금술의 진실

2025년 5월, CERN LHC에서 납이 금으로 변환된 충격적인 논문 발표! 현대 과학이 꿈꿔온 연금술은 정말 현실이 될 수 있을까요? 부산대 유인권 교수와 함께 과학적 진실과 한계를 파헤쳐 봅니다.

어린 시절, 동화 속 연금술사가 값싼 금속을 순식간에 황금으로 바꾸는 마법을 보며 우리는 늘 상상에 잠기곤 했습니다.

그런데 놀랍게도, 2025년 5월 국제 학술지 'Physical Review C'에 실린 한 논문이 이 꿈 같은 이야기에 과학적 가능성을 제시하며 전 세계를 들썩이게 만들었습니다.

유럽핵입자물리연구소(CERN)의 거대강입자충돌기(LHC)에서 납(Pb)이 아주 짧은 순간 금(Au)으로 변환되었다는 내용 때문인데요.

과연 인류의 오랜 꿈인 '연금술'은 거대 과학의 결정체인 LHC 덕분에 현실이 될 수 있을까요?

LHC 국제 공동연구에 참여해 온 부산대 유인권 교수의 심층 분석과 함께 흥미진진한 과학의 세계로 떠나보시죠!

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현대 과학, 연금술의 꿈에 한 발짝 더 다가가다

인류는 기원전부터 값싼 금속을 귀한 금으로 바꾸려는 '연금술'의 꿈을 꾸어왔습니다.

고대 그리스의 아르키메데스 일화처럼, 금은 언제나 인류의 중요한 관심사였죠. 그러나 우리가 일상에서 경험하는 현상이 전자의 역할이라면, 원소의 근본적인 차이는 양성자의 개수에 달려있습니다. 따라서 단순히 화학적 방법으로는 한 원소를 다른 원소로 변환시킬 수 없습니다. 이 때문에 '연금술'의 꿈은 20세기 핵물리학이 태동하고 나서야 비로소 실현 가능성을 띠게 됩니다.

2025년 5월 7일, 국제 학술지 'Physical Review C'에 게재된 한 논문이 세계적인 주목을 받았습니다.

유럽핵입자물리연구소(CERN)의 대형이온충돌기실험(ALICE) 연구팀은 거대강입자충돌기(LHC)에서 납 원자핵 간의 '빗김 충돌'을 이용해 납이 금으로 변환된 과정을 측정했다고 발표했습니다.

2008년부터 가동된 LHC는 효율성 향상을 위해 주기적으로 업그레이드가 진행 중인데, 이 실리콘 검출기(ITS) 업그레이드에는 한국 연구진의 기여가 컸다고 합니다. 양성자가 82개인 납 원자핵이 양성자 79개인 금 원자핵으로 변환되는 이 '핵변환' 과정은, 과거의 연금술이 아닌 현대 핵물리학의 영역에서 가능성이 열린 흥미로운 사건입니다.

야구장 속 모래알, 찰나의 연금술을 일으키다

납 원자핵이 금으로 변환된 과정은 LHC의 독특한 실험 환경 덕분이었습니다. LHC는 납 원자핵 두 개를 광속의 99.999993%에 달하는 속도로 가속시켜 서로 충돌시킵니다.

하지만 직경이 100조 분의 1m에 불과한 원자핵 간의 정면충돌 확률은 매우 낮습니다. 오히려 훨씬 자주 일어나는 상황은 두 납 원자핵이 접촉하지 않고 아슬아슬하게 '비껴가는(빗김 충돌)' 것입니다.

이번 논문에서 밝혀진 놀라운 결과가 바로 이 '빗김 충돌'에서 발생했습니다.

두 납 원자핵이 아주 가깝게 스쳐 지나갈 때, 이들의 양성자(+82 양전하)가 만드는 강력한 전자기장(EMD 현상) 이 상대방 원자핵 내부의 양성자와 중성자 몇 개를 분리시킨다고 합니다. 납 원자핵(양성자 82개)에서 양성자 3개가 떨어져 나가면 금 원자핵(양성자 79개)이 되는 것이죠.

이때 생성되는 금 원자핵은 질량수가 매우 불안정한 방사성 동위원소 형태입니다. LHC의 초고속 가속 환경 속에서 이 불안정한 금 원자핵이 존재할 수 있는 시간은 극히 짧아, 빔 라인이나 주변 장치에 충돌하며 순식간에 다른 입자들로 부서진다고 합니다. 말 그대로 '찰나의 연금술'인 셈입니다.

이 상황을 이해하려면 크기의 척도를 상상하기 어렵습니다. 원자를 야구장 크기로 확대하면 원자핵은 모래알 하나에 불과합니다. 야구장 크기의 공간에서 모래알 만한 두 원자핵이 스칠 뻔한 순간에 연금술이 벌어졌고, 이를 ALICE 검출기가 포착해냈다는 사실은 현대 과학의 정교함을 보여줍니다.

금 100만분의 1g에 수천억 달러? 비효율성의 진실

그렇다면 이 '현대판 연금술'은 상업적으로 금을 대량 생산할 만큼 효율적일까요? 결론부터 말하자면, 현재로서는 사실상 불가능합니다. ALICE 연구팀의 측정 결과에 따르면, 질량수가 다른 납 원자핵 약 150개 생성 시 탈륨 원자핵 40개, 수은 원자핵 10개, 그리고 금 원자핵은 약 6개가 생성된다고 합니다. 금의 생성 빈도는 상대적으로 낮지만, ALICE 실험에서는 매초 최대 약 8만 9,000개의 금 원자핵이 변환될 수 있다고 합니다.

하지만 중요한 것은 이 금 원자핵들이 극히 불안정하여 존재 시간이 짧다는 점입니다. 2015년부터 2018년까지 LHC에서 생성된 금 원자핵의 총 추정치는 약 860억 개에 달하지만, 이들의 총 질량은 고작 약 1조 분의 29g에 불과합니다. 이는 거의 0에 가까운 양이죠.

게다가 LHC의 막대한 소비 전력 (약 30MW)과 유럽의 높은 전기 요금을 고려하면, 금 원자핵 100만 분의 1g을 만드는 데 수천억 달러가 들 것으로 추정됩니다. 현재 우주의 나이가 약 138억 년인데, 금을 가공 가능한 양만큼 변환하려면 수천억 년이 걸릴 것이라는 계산도 나옵니다. 과학적으로는 가능하지만, 경제성과 효율성 측면에서는 연금술이 영겁의 시간이 필요한 사실상 불가능한 꿈임을 명확히 보여주는 대목입니다.

구분	내용	비고
발표 시기	2025년 5월 7일 'Physical Review C' 게재	CERN ALICE 연구팀 논문
핵심 메커니즘	납 원자핵 간 '빗김 충돌'에 의한 전자기적 해리(EMD) 현상	양성자 3개 분리 → 금 원자핵 변환
금 생성량 (추정)	2015-2018년 총 860억 개 원자핵 (총 질량 약 1조 분의 29g)	매초 최대 약 8만 9,000개 금 원자핵 생성 가능
생성된 금의 특성	질량수가 불안정한 방사성 동위원소, 존재 시간 매우 짧음	빔 라인 충돌 시 분열
경제성	금 100만분의 1g 제조에 수천억 달러 소요 (매우 비효율적)	가공 가능한 양 생산에 수천억 년 소요 예상
연구의 주된 목적	빅뱅 직후 물질 상태 연구 및 빔 손실 이해, 가속기 성능 향상	금 생산은 '세렌디피티(Serendipity)'

기초 과학의 '세렌디피티'를 발견하다

이번 '금 생성' 연구는 사실 납 원자핵의 정면 충돌 연구 과정에서 나온 일종의 '세렌디피티(Serendipity)', 즉 우연하고도 흥미로운 발견에 가깝습니다.

LHC의 주된 목적은 빅뱅 직후 우주의 물질 상태를 이해하기 위해 최대한 많은 입자의 통계적 물리량을 얻는 것입니다. 이를 위해 질량수가 큰 납 원자핵을 이용해 충돌 시 다양한 입자를 생성하고, 충돌 지점 주변의 양자 센서(10만분의 1m 크기)로 이 입자들의 물리량을 측정합니다. 이를 통해 우리는 쿼크와 글루온으로 이루어진 태양 중심 온도의 10만 배에 달하는 뜨거운 플라즈마 상태 등 최초 우주의 극한 상태를 알아가고 있습니다.

금 원자핵의 생성은 납 원자핵 간 '빗김 충돌' 시 발생하는 전자기적 해리(EMD) 현상의 이론적 모델을 연구하는 과정에서 확인된 것입니다. 즉, 직접 금을 만들려 한 것이 아니라, LHC의 빔 손실을 이해하고 해결하며 가속기 성능을 고도화하기 위한 기초 연구 과정에서 뜻밖의 소득을 얻은 셈입니다.

빔 라인의 정확도가 높아질수록 납 원자핵의 빗김 충돌 횟수와 그로 인한 금 원자핵 변환 양도 증가하므로, 이번 연구는 LHC의 성능 향상을 위한 의미 있는 기준이 될 것입니다.

결론적으로, LHC의 '연금술'은 당장 금 시장을 뒤흔들거나 우리에게 금을 안겨줄 수는 없습니다. 하지만 인류의 근원적 질문에 답하고 미래 기술 발전을 위한 씨앗을 뿌리는 기초 과학 연구의 중요성을 다시 한번 일깨워주는 매우 흥미로운 사례임은 분명합니다.

참고자료

-납 원자핵이 금 원자핵으로…LHC에서 실현된 영겁의 연금술(동아사이언스)

-“납이 금으로”…유럽 CERN, 300년 전 연금술사 꿈 이뤘다(POPULAR SCIENCE)

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