중국, 100킬로미터 힉스 입자 충돌기 사업 보류…대형 물리학 연구 경쟁 구도 바뀌나

중국이 지금 사업을 보류한 이유

중국이 힉스 입자 연구를 위한 100킬로미터 길이의 원형 충돌기인 원형 전자·양전자 충돌기(CEPC) 사업을 보류했다. 2026년부터 2030년까지 시행되는 차기 국가 5개년 계획에서 이 사업을 제외하기로 한 데 따른 조치다. 관계자와 고위 과학자들은 사업 취소가 아니라 보류라고 설명한다. 설계와 연구는 계속되지만, 착공 일정은 정해지지 않았다. 이번 결정은 중국을 넘어선 파장을 낳는다. 차기 플래그십 충돌기 건설 경쟁의 판도를 바꾸고, 미래 원형 충돌기(FCC)가 승인될 경우 유럽이 주도권을 잡을 기회를 제공한다.

비용 상승과 긴축된 경제 여건이 보류의 배경이다. 지난 10년간 첨단 소재와 토목 공사 비용이 올랐다. 지방정부 부채 부담으로 대규모 초기 지출 여력도 줄었다. 국가적 우선순위는 반도체, 위성, 우주 등 투자 회수 기간이 더 짧은 분야로 기울었다. 이제 거대과학 사업은 산업 정책과 단기 기술 목표와 경쟁해야 한다. CERN의 미래 원형 충돌기도 정치적·재정적 약속을 기다리고 있는 유럽에서 이 같은 압박이 뚜렷하게 나타난다.

입자물리학자들은 CEPC가 힉스 보손을 정밀 측정하는 10년간의 연구를 가능하게 하길 기대했다. 힉스 보손은 기본 입자에 질량을 부여하는 양자장의 들뜸이다. 힉스 공장은 양성자 충돌기로는 불가능한 수준의 정밀도로 힉스 입자 결합을 측정하고, 전약 부문을 높은 정확도로 검증하며, 새로운 물리 현상에 엄격한 한계를 설정할 수 있다. 과학적 근거는 성숙했고, 협력단은 성장했으며, 기술 선택도 구체화됐다. 그러나 예산이 빠듯한 세계에서는 타당성이 충분한 사업이라도 반드시 착공으로 이어지는 것은 아니다.

CEPC란 무엇이며 어떤 연구를 하는가

CEPC는 전자와 양전자를 정면충돌시켜 힉스 보손을 대량으로 생성하도록 에너지를 조절하는 원형 충돌기다. 대형 강입자 충돌기(LHC) 같은 양성자 충돌기에 비해 전자·양전자 충돌기는 훨씬 깔끔한 사건을 만들어낸다. 양성자가 충돌하면 쿼크와 글루온이 쏟아져 나와 정밀 측정이 어렵다. 전자와 양전자는 점입자여서 충돌 결과를 더 쉽게 해석할 수 있다. 힉스 공장은 여러 에너지 설정을 시험하고 힉스 사건을 수백만 건 생성해 주요 특성을 퍼센트 수준 또는 1퍼센트 미만의 오차로 측정할 수 있다.

계획에는 상호작용 지점 2곳과 주입 가속기, 극저온 설비, 차세대 검출기를 갖춘 약 100킬로미터 길이의 터널이 포함된다. 힉스 보손 질량에 해당하는 약 240 GeV에서 장기간 연구를 진행한 뒤, Z 보손 피크와 WW 생성 문턱 에너지에서 전약 상호작용을 전례 없는 통계량으로 조사하는 전용 연구 기간을 두는 방안이다. 같은 터널에는 이후 흔히 초양성자 충돌기(SPPC)라 불리는 양성자 충돌기를 설치해 LHC보다 훨씬 넓은 범위에서 새로운 입자를 찾을 수도 있다. 이 2단계 로드맵은 유럽의 FCC 구상과 유사하다.

기술 작업은 주요 이정표에 도달했다. 개념설계보고서는 2018년에 나왔다. 가속기 기술설계보고서는 2023년에 뒤를 이었다. 연구 그룹은 2025년 기준 검출기 보고서를 발표했다. 여기에는 직교 배열한 결정 막대로 만든 전자기 열량계, 고세분능 섬광 유리를 활용한 강입자 열량계, 약 10마이크로미터의 공간 정밀도와 약 50피코초의 시간 정밀도를 결합한 저이득 애벌랜치 다이오드 센서 기반의 새 추적 시스템이 제안됐다. 55나노미터 기술을 적용한 판독 칩은 분해능과 집적도를 높이면서 전력 수요를 약 3분의 2 줄이는 것을 목표로 한다.

비용과 정치, 악화하는 경제 여건

이 규모의 사업에는 10년 넘게 안정적인 자금 지원이 필요하다. CEPC의 초기 비용 추산치는 토목 공사와 전력 시스템, 검출기를 포함하느냐에 따라 약 50억 달러에서 100억 달러에 가까운 수준까지 크게 달랐다. 건설 자재 인플레이션과 차입 비용 상승, 글로벌 공급망 마찰은 모두 예상 비용을 끌어올렸다. 동시에 중국의 중앙정부와 지방정부 지도자들은 전략 산업에 자금을 투입하고 있다. 이 같은 상황이 맞물리면서 CEPC의 확정 일정과 다년간 예산을 확보하기가 더 어려워졌다.

중국의 과학 정책 당국은 CEPC를 2026~2030년 계획에 포함하지 않았다. 사업 책임자들은 협력단을 유지하고 2030년에 다시 제안서를 제출하겠다고 밝혔다. 또 그 전에 유럽이 미래 원형 충돌기를 승인하면, 두 개 사업을 병행하는 대신 중국이 FCC 참여를 검토할 수 있다고 덧붙였다. 이는 고에너지 물리학의 국제적 성격을 반영한다. 대형 가속기에는 국제 파트너가 필요하며, 한 나라가 충돌기를 유치하기로 하면 다른 나라들은 사업을 중복하기보다 기여하는 경우가 많다.

유럽과 다른 국가들의 상황

유럽도 진로를 검토하고 있다. CERN이 제안한 미래 원형 충돌기는 CEPC처럼 힉스와 전약 부문 연구에 초점을 둔 원형 전자·양전자 충돌기로 시작하는 1단계 사업이다. 이후 같은 터널을 양성자 충돌기로 업그레이드할 수 있다. 둘레는 CEPC와 비슷하지만 FCC의 계획과 비용은 다르다. 최근 추산에 따르면 FCC 비용은 수백억 달러에 이른다. 회원국들은 대중의 지지와 환경적 타당성, 장기 에너지 공급을 검토하고 있다. 유럽 입자물리학 전략 수립 절차를 통해 2020년대 중반에 권고안이 마련될 것으로 예상되며, FCC 결정은 2028년 무렵에 내려질 전망이다.

다른 구상들도 여전히 논의되고 있다. 일본은 국제선형충돌기(ILC)를 연구했지만 건설 단계로 나아가지는 않았다. 미국의 연구자들은 뮤온 충돌기 연구개발을 강력히 추진하는 한편, 해외에서 힉스 공장이 건설될 경우 참여하는 방안도 지지했다. 앞으로 몇 년이 결정적이라는 뜻이다. 유럽이 FCC에 투자하기로 하면 아시아와 북미의 파트너를 끌어들일 가능성이 크다. 유럽도 주저한다면 경제·정치 여건이 안정될 때까지 소규모 사업들이 연구를 이어갈 수 있다.

설계 작업은 멈추지 않았다

CEPC 과학자들은 보류가 진전의 끝을 뜻하지 않는다고 강조한다. 설계 보고서에는 충분히 성숙한 청사진이 담겨 있다. 고효율 섬광 유리부터 대면적 실리콘 센서, 전력 효율이 높은 판독 칩까지 핵심 기술의 연구개발도 활발하다. 국제 검토위원회는 여러 차례 검출기 개념을 심사한 뒤 설계가 일관성을 갖췄으며 필요한 물리 성능을 달성한다고 결론지었다. 다음 단계는 통합 시제품과 시스템 시험, 엔지니어링 설계에 초점을 맞춘다. 자금이 확보되면 사업을 신속히 재개할 수 있도록 하기 위해서다.

이 연구는 다른 분야에도 파급 효과를 낸다. 고속 타이밍 센서의 발전은 의료 영상에 활용될 수 있다. 새로운 극저온·진공·전력 시스템은 에너지와 항공우주 산업에 도움이 될 수 있다. 대형 검출기용 소프트웨어는 데이터 과학 발전에도 기여한다. 예산이 빠듯해질 때 사업 지지자들이 내세우는 근거 중 하나가 이런 파급 효과다. 국가 지도자들은 흔히 실질적인 이익을 요구한다. 입자물리학에는 CERN의 월드와이드웹, 암 치료용 강입자 치료, 초전도선, 자석 기술의 발전 등 다양한 성과가 있다. 힉스 공장도 이 목록에 더해질 가능성이 크다.

과학자와 공급업체, 학생들에게 미치는 영향

사업 보류는 연구자들의 진로와 공급망을 바꾼다. 젊은 물리학자들은 초기 경력 기간에 데이터를 내놓을 연구 사업을 찾는다. 산업계 엔지니어들은 극저온 모듈과 자석, 검출기 부품용 설비에 투자하려면 예측 가능한 발주가 필요하다. 착공이 이뤄지지 않으면 일부는 더 단기적인 사업에 집중할 것이다. 중국 연구기관에서는 이미 반도체와 양자 시험시설, 위성 등 국가 우선순위 분야로 연구 방향을 바꾸는 흐름이 나타나고 있다. 이는 합리적인 대응이다. 동시에 언론 발표보다 실제 계약과 토지 사용 허가, 터널 굴착 입찰, 장기 채용 같은 현장의 신호를 관찰하는 이유도 보여준다.

전력 사용과 환경 검토

대형 충돌기는 많은 전력을 소비한다. 힉스 공장의 최대 전력 수요는 수백 메가와트에 이를 수 있다. 유치국에는 전력 비용과 탄소 감축 목표가 중요하다. CERN은 폐열을 회수하고 지역난방에 연결하며 전력망 상황에 맞춰 전력 사용 시점을 조정하는 방안을 연구하고 있다. 중국에서도 비슷한 노력이 필요할 것이다. 환경 검토에서는 터널 경로의 지질과 지하수, 지상 시설도 살펴본다. 기술계는 이전 사업에서 교훈을 얻어 에너지 효율이 높은 고주파 시스템과 자석에 더 주목하고 있다.

대형 사업이 기다리는 동안의 소규모·분산형 연구

사업 보류는 연구의 균형을 둘러싼 논쟁을 불러온다. 물리학자들은 퍼즐의 서로 다른 부분을 탐구하는 여러 사업을 함께 추진할 수 있다. 중성미자 실험은 표준모형이 설명하지 못하는 영역을 조사한다. 우주 관측은 가장 큰 규모에서 중력과 암흑에너지를 검증한다. 탁상형 실험과 양자 센서는 매우 가벼운 암흑물질과 미세한 대칭성 위반을 찾는다. 우주 탐사와 마찬가지로 입자물리학은 대형 대표 사업과 여러 소규모 임무를 함께 추진해왔다. 균형 잡힌 연구 포트폴리오는 인재의 참여를 이어가고 대중의 지지를 유지하는 데 도움이 된다.

차기 충돌기 착공을 추진할 준비가 됐을 때는 과학적 목표와 자금, 대중의 수용성을 어느 유치국이 조화시킬 수 있는지가 선택을 좌우할 것이다. 유럽이 기술·재정·환경 문제를 해결할 수 있다면 FCC를 앞세워 주도권을 잡을 기회가 열려 있다. 중국도 2030년 이후 여건이 개선되면 CEPC 사업을 재개할 수 있다. 어느 쪽이든 많은 이론물리학자와 실험물리학자가 정밀 검증에 가장 시급하다고 보는 도구, 즉 힉스 공장을 제공하게 된다. 그때까지 연구자들은 과학적 근거를 날카롭게 다듬고 기술을 준비하는 데 힘쓰고 있다.

핵심 내용

• 중국은 CEPC를 취소하지 않았지만, 2026~2030년 5개년 계획에서 제외되면서 사업을 보류했다.
• 설계와 연구는 계속되며, 2030년에 제안서를 다시 제출할 계획이다.
• 사업 책임자들은 유럽이 FCC를 먼저 승인하면 중국이 참여할 수 있다고 밝혔다.
• CEPC는 가속기·검출기 설계 보고서 발표와 검출기 개념에 대한 국제 검토위원회의 긍정적 평가 등 주요 이정표를 달성했다.
• 비용 압박과 지방정부 부채, 투자 회수가 빠른 기술 분야로의 전환이 사업 보류 결정에 영향을 미쳤다.
• 유럽은 FCC를 검토 중이며, 2020년대 중반 전략 수립 절차를 거쳐 2028년 무렵 결정할 전망이다.
• CEPC용으로 계획된 100킬로미터 터널에는 이후 고에너지 양성자 충돌기를 설치할 수 있다.
• 과학자들은 연구자들의 진로와 공급업체에 단기적 영향이 있을 것으로 보고 있으며, 일부는 반도체와 양자 시험시설, 위성 분야로 옮겨가고 있다.
• 차기 충돌기의 대중적 수용성을 확보하려면 전력 수요와 환경 평가가 핵심이다.
• 차기 플래그십 사업이 보류된 동안 중성미자와 우주론, 정밀 탁상형 실험을 비롯한 소규모 연구가 입자물리학의 주요 연구를 이어갈 것이다.