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초거대 입자가속기 충전 완료, 암흑물질을 찾아라
조회수 258,446회2022. 7. 22.
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...... [2022-07-23]
기획·칼럼 전체연재완결
입자가속기의 등장과 발전
[과학기술 넘나들기] 거대 과학실험 장치들(1)
2020.08.21 07:15 최성우 과학평론가
자연과학이 발전하기 위해서는 이론과 실험이 다 함께 필요하며 중요시된다. 특히 물리학의 경우 아무리 혁신적이고 뛰어난 이론이라 할지라도 실험적으로 증명이 되지 않으면 가설 수준 이상으로 대접받기 어렵다. 자연과 우주의 궁극을 밝히는 입자물리학 등에서 첨단의 이론들을 뒷받침하기 위해서는, 이를 입증하기 위한 실험 장치들 역시 더욱 첨단화하고 거대해질 수밖에 없다. 최근의 예로서 아인슈타인이 이론적으로 제시한 후 100년 만에 존재가 입증된 중력파의 경우, 길이가 4km에 이르는 초대형 마이컬슨 간섭계인 레이저 간섭계 중력파연구소(LIGO)라는 거대한 실험 장치를 통해서 검출할 수 있었다.
LIGO뿐 아니라 거대하고 값비싼 물리학 실험 장치의 대표적인 예로서, 전자기장으로 하전입자를 가속하는 장치인 입자가속기(Particle accelerator)를 들 수 있다. 미지의 소립자를 찾거나 새로운 이론을 검증하기 위하여 입자물리학의 발전에 없어서는 안 될 이 장치는, 입자 가속을 통해 방출되는 방사광 등을 이용하여 다른 물리학 분야나 생물학, 의학 등에도 이용된다.
우리나라의 경우 포항에 오래전부터 다양한 과학 분야에서 활용해 왔던 방사광 가속기가 있고, 경주에는 양성자 가속기가 가동되고 있다. 대전의 기초과학연구원에는 중이온가속기가 완공을 눈앞에 두고 있고, 올해 5월에는 다목적 방사광 가속기를 충북 오창에 건설하기로 계획을 확정한 바 있다.
페르미 국립가속기연구소의 테바트론 가속기 ⓒ 위키미디어
해외의 경우 미국 페르미 국립가속기연구소(Fermilab)의 테바트론(Tevatron) 가속기는 둘레가 6.3km에 이르고, 현존하는 세계 최대의 가속기인 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자충돌기(Large Hadron Collider, LHC)는 둘레가 무려 27km에 이른다.
그러나 입자가속기에도 매우 다양한 종류가 있고, 장치가 고안되었던 처음부터 거대했던 것도 아니다. 지금은 평판 텔레비전과 모니터에 밀려 자취를 거의 감추었지만, 얼마 전까지 텔레비전 수상기나 컴퓨터용 모니터로 흔히 쓰였던 브라운관, 즉 음극선관(CRT) 역시 넓게 보면 전자들을 가속 시켜 화면에 충돌시키는 가속기의 일종이라 할 수 있다.
물리학 실험 장치로 쓰인 비교적 간단한 입자가속기에는 미국의 물리학자 밴더그래프(Robert Jemison Van de Graaff, 1901-1967)가 고안한 고전압 정전 발전기가 있다. 구형(球形)의 두 전극 사이로 높은 전위차를 발생시켜 고에너지의 하전입자를 생성시키는 것인데, 1930년대부터 핵물리학 실험에서 자주 사용되어 이 분야의 발전에도 크게 공헌하였다.
자신이 발명한 사이클로토론 장치와 함께한 어니스트 로렌스(오른쪽) ⓒ 위키미디어
고전압을 쓰지 않고 하전입자를 가속시키는 본격적인 입자가속기라 할 수 있는 사이클로트론(Cyclotron)은 미국의 물리학자 어니스트 로렌스(Ernest Orlando Lawrence, 1901-1958)에 의해 1930년에 발명되었다. 그는 사우스다코타대학을 졸업하고 예일대학에서 학위를 받은 후 캘리포니아대학 교수 등으로 일했는데, 물리학적 직관이 뛰어났던 과학자로 꼽힌다. 로렌스는 하전입자가 자기장 내에서 원운동을 한다는 데에 착안하여 원형의 가속기를 만들 아이디어를 떠올렸는데, 입자의 궤적이 원 또는 나선을 그리면 훨씬 효율적으로 가속을 할 수 있게 되는 것이다.
사이클로트론은 반원형의 통 두 개가 마주 붙어있는 모양인데, 그 사이에는 주파수가 일정한 교류전압을 걸어주고, 수직 방향으로는 자기장을 걸어준다. 하전입자는 반원형의 두 전극 사이를 이동할 때에는 전기장에 의해 에너지를 얻어서 가속되고, 반원 내에서는 자기장에 의해 원운동을 하게 된다. 즉 전극 사이를 통과할 때마다 교류전압의 방향이 바뀌면서 하전입자의 속도가 증가하여 회전반지름은 커지고, 가장자리에 이를 때까지 가속이 된 후 궤도를 빠져나와 표적으로 향하게 된다.
로렌스는 대학원생이었던 스탠리 리빙스턴(Milton Stanley Livingston, 1905-1986)의 도움을 얻어 사이클로트론을 제작하고, 특허로도 출원하여 등록을 받았다. 또한 그는 대형의 입자가속기들을 제작하는 프로젝트를 지휘, 완성하여 원자핵물리학 등의 발전에 크 기여한 공로를 인정받아 1939년도 노벨 물리학상을 수상하였다. 그가 1931년에 설립한 로렌스버클리연구소(Lawrence Berkeley Laboratory)는 미국의 가장 오래된 국립연구소로서, 오늘날에는 가속기뿐 아니라 다양한 분야의 연구개발을 수행하고 있고, 그동안 노벨물리학상, 화학상 등 10명이 넘는 노벨상 수상자를 배출하였다.
로렌스가 창안한 사이클로트론의 발명특허(1934년) ⓒ 위키미디어
그런데 사이클로트론은 하전입자가 가운데에서 출발하여 원궤도가 점점 커지는 나선형의 운동을 하게 되므로, 입자가 매우 빠른 최종 속도를 얻기 위해서는 장치가 더욱 커져야 한다. 따라서 자기장을 가해 주는 전자석 역시 원반 모양의 대형 자석이 필요하다. 또한 입자의 속도가 너무 빨라지면 상대론적 효과가 나타나는 등 여러 제한이 따르기 때문에, 사이클로트론은 통상적으로 하전입자를 빛의 속도의 10% 정도까지 가속할 수 있다.
이러한 사이클로트론의 단점과 문제들을 극복하기 위한 가속기가 싱크로트론(Synchrotron)이다. 싱크로트론에서는 하전입자가 나선 운동이 아닌 일정한 궤도의 원운동을 하게 되며, 이를 위해 전기장과 자기장을 모두 조절해 준다. 싱크로트론을 사용하면 입자가 매우 큰 에너지를 얻도록 거의 빛의 속도에 가깝게 가속해 줄 수 있으므로, 오늘날의 대형 원형 입자가속기들은 대부분 싱크로트론이다. 또한 하전입자가 빛의 속도에 가깝게 가속되어 원운동을 지속하면 빛 즉 전자기파가 방출되므로, 입자의 실험 목적이 아닌 빛을 얻어서 다른 분야에 활용하는 방사광가속기 역시 싱크로트론의 일종이다.
최성우 과학평론가
저작권자 2020.08.21 ⓒ ScienceTimes
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