‘입자가속기’를 아시나요

입자들을 빛의 속도로 가속시켜
생명과학 등서 물질 구조 밝혀내

지난달 말 유럽핵입자물리연구소(CERN)가 운영하는 세계 최대 규모의 입자가속기인 강입자충돌기(LHC)가 족제비 한 마리로 인해 단선사고가 발생해 긴급 정지되는 일이 발생했다. LHC는 스위스와 프랑스 국경 지하에 건설된 길이 27㎞의 원형 가속기로, 2012년에는 ‘신의 입자’로 알려진 힉스입자를 발견했고 지난해 말부터는 초대칭입자를 찾기 위한 실험을 진행 중이다.

‘물질을 구성하는 기본입자는 무엇인가’는 물리학자와 화학자들의 최대 관심사다. 19세기 러시아 화학자 드미트리 이바노비치 멘델레예프가 주기율표를 완성하면서 세상의 모든 물질은 주기율표상 원자의 조합으로 만들어진다고 생각했다. 이런 생각은 20세기에 들어서 원자는 핵과 전자로 이뤄져 있고, 다시 원자핵은 양성자와 중성자들이 모여서 구성됐다는 것이 밝혀지면서 깨졌다.

이때까지만 해도 과학자들은 양성자, 중성자, 전자는 더이상 깨질 수 없는 기본입자라고 확신했다. 그렇지만 1964년 미국의 물리학자 머리 겔만이 ‘쿼크 이론’을 제시하면서 물질을 구성하는 기본입자는 더 작아졌다.

쿼크의 존재를 증명하고 우주를 구성하는 가장 작은 단위를 찾아내려는 입자물리학자의 실험도구가 바로 ‘입자가속기’다. 입자가속기는 전기장이나 자기장을 이용해 전자나 양성자, 이온 등 전하를 갖고 있는 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 뒤 원자핵과 충돌하게 하는 장치다.

가속된 입자들이 원자핵과 부딪치면 핵이 쪼개져 양성자나 중성자가 핵 밖으로 튀어나오거나 여러 개의 원자핵으로 분열되기도 하고 새로운 소립자가 만들어지기도 한다. 최근에는 물질의 구조를 밝히는 기초연구뿐만 아니라 생명과학, 의학, 재료공학 등 다양한 분야에서 입자가속기가 쓰이고 있다.

입자가속기는 가속 방식에 따라 선형과 원형으로 나눌 수 있고 가속 입자의 종류에 따라 전자와 양성자 가속기로 구분된다. 선형 가속기는 저에너지 선형 가속기와 고에너지 선형가속기로 구별한다. 저에너지 선형 가속기는 가속하고자 하는 입자를 고전압에 한 번 통과시켜 단숨에 가속시키는 방식이고, 고에너지 선형 가속기는 입자를 비교적 낮은 전압에 반복적으로 통과시켜 높은 에너지를 얻는 형태다.

선형 가속기는 원형 가속기보다 균일하고 강한 입자빔을 얻을 수 있으며 일직선이기 때문에 입자가 위치를 바꿀 때 나타나는 미세한 제동에 의한 에너지 손실이 적다는 장점이 있다. 그렇지만 가속하고자 하는 입자의 크기가 커질수록 가속기가 길어져야 하기 때문에 많은 공간을 차지한다는 단점이 있다. 원형 가속기는 이런 단점을 보완하기 위해 한정된 공간에 입자를 나선(사이클로트론)이나 원(베타트론, 싱크로트론)을 그리며 돌면서 가속되도록 한 것이다.

전자를 가속시키는 전자가속기는 원형 가속을 할 경우 제동에 의한 에너지 손실이 크기 때문에 주로 선형 가속기 형태로 만들어진다. 반면 전자보다 질량이 큰 양성자를 이용한 가속기는 제동 에너지 손실이 작아 대부분 원형 가속기로 만들어진다. 충돌형 가속기는 광속에 가깝게 가속시킨 원자핵이나 소립자를 서로 충돌시켜 우주를 구성하는 궁극적 입자의 존재를 밝히기 위한 것이며 양성자 가속기는 양성자를 가속시켜 표적에 충돌시킴으로써 희귀 동위원소를 만드는 데 활용된다.

중이온가속기도 수소, 헬륨보다 무거운 중이온을 고에너지로 가속시켜 다른 원자핵에 충돌케 해 희귀 동위원소를 만드는 데 주로 활용되는 장치로 신물질 연구, 의학 연구 등에 쓰이고 있다. 빛의 속도에 가깝게 가속된 전자가 강력한 자기장을 지날 때는 빛(방사광)이 방출되는데 이를 활용하는 장치가 방사광 가속기로 연료전지 등 첨단재료 기술, 세포 영상획득 기술, 단백질 구조분석 등 다양한 과학기술 연구에 활용된다.

입자가속기를 운영하는 연구자들이 10년에 한 번씩 한자리에 모이는 ‘국제가속기콘퍼런스’(IPAC16)가 9~16일 부산 벡스코에서 열린다. 이번 콘퍼런스는 방사광가속기를 운영하는 포스텍과 양성자가속기를 갖고 있는 한국원자력연구원, 중입자가속기를 보유한 한국원자력의학원, 중이온가속기로 연구를 하는 기초과학연구원(IBS) 등 4개 기관이 주관하는 것으로 전 세계 36개국 1300여명의 연구자와 산업계 인사가 모여 최신 가속기 기술 개발 및 연구 동향 정보를 공유할 예정이다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr