^*힉스 입자(Higgs boson): 우주를 구성하고 움직이는 원리를 17개 기본입자와 힘으로 설명하는 이론(표준모형)에서 예측한 입자로 2012년 실험을 통해 관측됐으며, 관련해 피터 힉스(Peter Higgs)가 2013년 노벨물리학상을 받았다.

^*거대강입자가속기(Large hadron collider): 유럽입자물리연구소(CERN)에서 운영하는 가속기로 ‘힉스 입자’를 발견하는 데 사용됐다. 가속기는 전자와 같은 입자를 빠른 속도로 움직이도록 가속해 물질이나 다른 입자와 충돌하게 만드는 거대한 장치다. 이를 통해 물질의 성질을 파악하거나 새로운 물리적 현상을 발견한다. LHC의 경우는 ‘양성자’를 서로 충돌시켜 고에너지 현상을 구현하고, 힉스 입자도 발견했다. 그런데 양성자 간 상호작용 때문에 힉스 입자의 정확한 성질을 파악하기는 어렵다. 이에 ‘차세대 고에너지 입자가속기’ 개발이 추진되고 있다.

^*위상공간 부피: 3차원 공간에서의 부피에 운동량(속도) 성분을 더한 개념이다.

^*강입자(Hadron): 서로 강한 상호 작용을 하는 소립자. 양성자, 중성자 등이 대표적이다.

^*경입자(lepton): 강한상호작용을 하지 않는 소립자. 총 6개가 있으며 전자와 뮤온이 대표적이다. 상대적으로 강입자보다 가볍다

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)1)를 통해 ‘힉스 입자(Higgs boson)’2)를 발견한 고에너지입자물리학(Particle Physics)3)계에서는 힉스 입자의 엄밀한 성질을 규명하고, 새로운 고에너지 물리현상을 발견하기 위해 ‘고에너지 경입자(Lepton)4) 충돌형 가속기’의 건설을 간절히 고대하고 있다. 그러나 ‘금속 가속관’을 활용하는 현재 기술로는 한계가 있다. 금속 가속관의 경우 단위 길이 당 에너지 이득이 최대 0.1기가전자볼트(GeV) 정도로 제한되는 것이다. 이에 현재 건설 논의 중인 경입자 충돌형 가속기는 그 크기가 수십 킬로미터(㎞)에 이르고, 건설비용도 수조 원 이상으로 예상된다.

이를 극복하기 위한 대안으로 두 가지 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 첫 번째는 ‘플라즈마(Plasma)5)에서 발생하는 강력한 전기장을 이용하는 가속기’의 개발이고, 두 번째는 ‘전자 대신 뮤온(Muon)6)을 가속하는 가속기’의 개발이다. 뮤온은 전자보다 200배 무거워 충돌실험 시 제동 복사7) 등의 영향을 덜 받으며, 선형이 아닌 원형 가속기로도 충분히 큰 에너지를 얻을 수 있다. 또 뮤온 충돌실험에서 힉스 입자 생성 확률은 전자 충돌실험보다 현격히 높으며, 에너지가 잘 정의된 중성미자(Neutrino)8)의 대량 생산에도 뮤온 가속기가 유리하다.

2. 연구내용

뮤온 가속기의 여러 장점에도 불구하고 실제로 추진하기는 어려운 상황이다. 정지 상태에서 뮤온의 수명이 100만 분의 2초밖에 안 된다는 사실 때문에 여러 기술적인 문제들이 미해결상태로 남아있기 때문이다. 뮤온 가속기에서는 뮤온이 붕괴하기 전에 가속기에 입사시켜 에너지를 끌어올려야 하지만, 양성자 표적에서 생성된 뮤온의 초기 위상공간 부피9)가 가속기에 입사하기에는 너무 크다. 이에 뮤온 빔의 위상공간 부피를 줄이는 기술이 필요한데, 이런 물리적 과정을 ‘빔 냉각(Beam Cooling)’ 또는 줄여서 ‘냉각(Cooling)’이라고 부른다. 그리고 이를 구현하는 부분이 뮤온 가속기에서 가장 핵심적인 난제였다.

수명이 짧은 뮤온에 적용할 수 있는 냉각방식은 ‘이온화 냉각(Ionization Cooling)10)’뿐이라고 1980년대부터 이론적으로 예측됐다. 그러나 실험적인 입증은 2000년대 초반 국제 공동연구 그룹인 마이스(MICE, Muon Ionization Cooling Experiment)가 형성되면서 본격적으로 진행됐다. 이번 연구결과는 20여 년에 이르는 실험 준비와 연구개발의 결실인 셈이다.

MICE 연구진은 영국의 러더퍼드 애플턴 연구소 ISIS 양성자 가속기에 빔 라인을 설치해 실험했다. 강력한 양성자 빔을 표적에 때려 인공적으로 뮤온 빔을 생성시킨 후, 이 뮤온 빔을 에너지 흡수체(Energy Absorber)에 통과시켜 물질과 이온화 반응을 유도하고, 그 결과 뮤온 빔이 에너지를 잃고 위상공간 부피가 수축하게 한 것이다. 스펙트로미터 솔레노이드(Spectrometer Solenoid)와 검출기를 에너지 흡수체 전후에 각각 설치해 위상공간 부피의 변화를 엄밀하게 측정하고, 이론예측과 비교검증을 진행했다.

3. 기대효과

힉스 입자가 강입자(Hardon)11)를 사용하는 CERN의 LHC를 이용한 양성자 충돌실험을 통해 발견된 후, 더욱 높은 규모의 고에너지 입자물리 연구를 주도할 ‘강력한 에너지의 입자가속기’ 개발이 전 세계적으로 활발히 논의되고 있다. 하지만 기존처럼 고주파를 이용한 전자 가속 방식으로는 전자 빔의 에너지를 올리는 데 한계가 있으므로 가속기의 크기가 커져야 하고 결국 건설비용은 지나치게 높아지게 된다.

이번에 실증 실험에 성공한 뮤온 빔의 이온화 냉각 기술은 뮤온 빔을 활용한 가속기 개발의 발판을 마련한 것이다. 이 기술을 활용하면 차세대 충돌형 가속기의 건설비용도 획기적으로 낮출 것으로 기대된다. 뮤온 가속기는 또 다른 대안인 플라즈마 가속기보다 가속관 자체 기술이 비교적 잘 정립돼 있는데, 지금까지 부족했던 뮤온 빔의 냉각 기술을 마련할 수 있게 된 것이다. 또 이온화 냉각방식을 채용한 뮤온 가속기가 개발되면, 뮤온 빔이 붕괴하면서 나오는 다량의 중성미자를 에너지가 잘 정의된 상태로 생산할 수 있다. 이는 중성미자의 엄밀한 성질 규명도 가능케 할 것이다.

이번 실험은 뮤온 빔의 4차원 위상공간 제어까지만 진행됐는데, MICE 공동연구를 통해 개발된 RF(Radio Frequency) 가속관을 설치하면 6차원 위상공간의 제어까지 가능해진다. 이 경우 뮤온 가속기의 활용도가 더욱 증대될 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 거대강입자가속기(Large hadron collider)

유럽입자물리연구소(CERN)에서 운영하는 가속기로 ‘힉스 입자’를 발견하는 데 사용됐다. 가속기는 전자와 같은 입자를 빠른 속도로 움직이도록 가속해 물질이나 다른 입자와 충돌하게 만드는 거대한 장치다. 이를 통해 물질의 성질을 파악하거나 새로운 물리적 현상을 발견한다. LHC의 경우는 ‘양성자’를 서로 충돌시켜 고에너지 현상을 구현하고, 힉스 입자도 발견했다.

2. 힉스 입자(Higgs Boson)

우주를 구성하고 움직이는 기본 원리를 기본입자 17개와 힘으로 상세히 설명하는 ‘표준모형’에서 예측한 입자로, 2012년 실험으로 관측됐다. 17개 기본입자 중 가장 늦게 발견됐으며, 질량이 없던 기본입자들에 질량을 부여하는 역할을 한다. 

3. 입자물리학(Particle Physics)

입자물리학은 우리 우주를 구성하는 가장 궁극적인 물질과 법칙을 연구하는 물리학 분야다. ‘소립자물리학’이라고도 한다. 작은 세계를 탐구하려면 높은 에너지가 필요하므로 ‘고에너지물리학(high-energy physics)’이라고도 한다. 우주론에 의하면 우리 우주가 대폭발로 생겨났으며, 가장 작은 세계를 탐구하는 입자물리학 연구는 가장 큰 세계인 우주 초기의 연구이기도 하다. 입자물리학의 표준모형에 의하면 우리 우주는 수십 가지 종류의 기본입자가 다양한 방식으로 결합돼 있다. 기본입자는 크게 쿼크, 반쿼크, 렙톤(경입자), 반렙톤, 게이지 보손, 힉스 입자로 분류할 수 있다. 

4 렙톤(Lepton, 경입자)

물리학에서 스핀이 ½이고, 강한 핵력에 영향을 받지 않는 기본입자다. 전자기적 상호작용, 중력 상호작용, 약한 상호작용에만 영향을 받는다. 그리고 내부 구조가 없고 공간에서 크기를 차지하지 않는 기본적인 입자이다. 총 6개 종류가 있으며 대표적인 경입자로 전자와 뮤온이 있다. 내부구조가 없다는 특징 때문에 입자 충돌 실험에 경입자를 사용할 경우, 입자간 상호간섭이 없어 생성되는 물리학적 현상에 대한 정확한 데이터를 얻을 수 있다. 

5. 플라즈마(Plasma)

플라즈마란 기체가 초고온 상태로 가열돼 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말한다. 플라즈마 내에 웨이크필드(Wakefeild)라는 일종의 플라즈마 파동을 발생시키고, 이때 만들어지는 강력한 전기장을 이용해 전자를 가속할 수 있다.

 6. 뮤온(Muon)

사람이 체감할 수 없지만, 지금도 지구에는 수많은 ‘우주선(宇宙線, Cosmic Rays)’들이 쏟아지고 있다. 뮤온은 이런 우주선이 대기권에 충돌할 때 발생하는 소립자(Elementary Particle)다. 뮤온의 질량은 전자보다 200배 크고, 그 수명은 100만 분의 2초 정도다. 전자에 비하면 질량이 큰 탓에 뮤온은 전기장 내에서 쉽게 가속되지 않으며, 제동 복사를 많이 발산하지 않는다. 이러한 성질 때문에 뮤온은 매질 내부를 전자보다 더 멀리 투과할 수 있다. 또 대기에서 우주선에 의해 생긴 뮤온이 지표면에 도달하거나 지하까지 투과하는 것도 가능하다. 내부에 쿼크 구조를 갖지 않고 강한 핵력의 영향을 받지 않는 경입자(Lepton)이기 때문에, 고에너지 충돌실험에 사용할 경우 양성자 충돌에 비해 깨끗한 신호를 얻을 수 있다. 

7. 제동 복사

제동복사(bremsstrahlung)는 전하를 가진 입자(하전입자)가 전기력에 의해 감속될 경우 방출되는 복사이다

8. 중성미자(Neutrino)

6종의 경입자 중 전하를 가지고 있지 않는 3개의 입자를 말한다.

9. 위상공간 부피

부피는 3차원공간(x, y, z) 에서 차지하는 영역의 크기를 일컫는데, 여기에 각 방향의 속도(또는 운동량)를 더해서 우리 눈에 보이지 않는 위상공간(x, vx, y, vy, z, vz)이 된다. 위상공간(phase space)에서 부피, 즉 부피와 운동량이 종합된 개념을 위상공간 부피라고 한다.

10. 이온화 냉각(Ionization Cooling)

하전입자를 가속기에 입사해 가속하기 위해서는 ‘빔(Beam)’이라고 부르는 입자 다발이 위상공간에서 차지하는 부피가 충분히 작아야 한다. 반양성자나 뮤온 같은 이차 입자, 즉 안정된 양성자 빔을 목표물에 때릴 때 부수적으로 발생하는 입자는 초기 위상공간 부피가 매우 커서 가속기에 바로 입사하기 어렵다. 이 때문에 빔의 위상공간 부피를 줄이는 물리적 과정, 즉 빔 냉각(Beam Cooling)이 필요하다. 반양성자의 경우 1970년대에 고안된 ‘확률론적 냉각(Stochastic Cooling)’이라는 기술이 도입되면서 입자물리학 실험에 획기적 발전을 가져와 1984년에 노벨상이 수여됐다. 뮤온의 경우 수명이 짧아 시간이 오래 걸리는 확률론적 냉각(Stochastic Cooling)을 적용하기 어렵다. 대신 뮤온 빔을 에너지 흡수체(Energy Absorber)에 통과시켜 물질과의 이온화 반응을 유도하고, 이를 통해 뮤온 빔이 에너지를 잃고 위상공간 부피가 수축되도록 하는 ‘이온화 냉각(Ionization Cooling)’이 유일한 대안으로 1980년대부터 이론적으로 제안됐다.

11. 강입자(Hardon)

서로 강한 상호 작용을 하는 소립자. 양성자나 중성자 등이 대표적이다. 경입자는 기본입자인데 반해 강입자는 기본입자인 쿼크 등으로 구성돼 있으면서 종류도 100여 종이 넘는다. 충돌실험 시 내부 쿼크 구조 때문에 정확한 데이터를 얻을 수 없다.

12. 파이온(Pion)

기본입자인 쿼크와 반쿼크가 섞인 강입자 중 하나. 이번실험에서 양성자를 타겟물질에 충돌 시켜 파이온을 만들었다. 파이온은 중성미자와 뮤온으로 붕괴된다.

[붙임] 그림설명

[그림1] 연구개요도 강력한 양성자 빔을 표적에 때려 인공적으로 뮤온 빔을 생성시킨 후, 이 뮤온 빔을 액체 수소로 이뤄진 에너지 흡수체에 통과시켰다. 이때 뮤온 빔은 물질과 이온화 반응으로 에너지를 잃고 위상공간 부피가 수축된다. (MICE 공동 연구단 제공)

[그림2] MICE 연구진이 사용한 실제 실험장치 사진: 영국 러더퍼드 애플턴 연구소 ISIS 양성자 가속기의 빔 라인에 이 실험장치를 설치해 실험을 진행했다.

[그림3] 타이타늄(Ti) 합금으로 만들어진 타겟물질: 양성자가 타켓과 출동해 뮤온을 만든다.