다재다능한 입자가속기의 세계

1964년 美물리학자 겔먼 ‘쿼크 이론’ 제시
우주 구성하는 가장 작은 단위 찾아나서
가속기 종류는 가속 방식·입자 따라 구분
재료공학·의학·생물학 등 활용처도 달라
국내선 방사광·양성자·중이온가속기 운용지난주 차세대 다목적 방사광가속기 최종 입지로 충북 청주 오창 지역이 선정됐다. 신청 지역들은 유치를 위한 총력전을 벌이는 등 과열 양상을 보이기도 했다. 그렇지만 방사광가속기를 포함한 입자가속기는 만들어지기만 하면 어려운 지역경제를 단숨에 살릴 수 있는 도깨비방망이가 아니다. 입자가속기는 물리학자와 화학자가 품고 있는 “물질을 구성하는 기본 입자는 무엇일까”라는 기본적 궁금증을 풀기 위한 거대한 실험 장비다.

19세기 러시아 화학자 멘델레예프가 주기율표를 완성하면서 세상 모든 물질은 주기율표상 원자들의 조합으로 만들어지는 것으로 이해됐다. 20세기 들어 원자는 핵과 전자로 이뤄져 있으며 핵은 양성자와 중성자로 구성돼 있다는 것이 밝혀졌다. 이때까지만 해도 과학자들은 양성자, 중성자, 전자가 물질을 이루는 기본 입자라고 확신했다. 그런데 1964년 미국 물리학자 머리 겔먼이 ‘쿼크 이론’을 제시하면서 물질 구성 기본 입자는 더 작아졌다. 쿼크의 존재를 증명하고 우주를 구성하는 가장 작은 단위를 찾기 위해 입자물리학자들이 사용하는 거대한 현미경이 바로 ‘입자가속기’다.

입자가속기는 전자기장을 이용해 전자, 양성자, 이온 등 전하를 갖는 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 뒤 물질과 충돌시키는 장치다. 가속된 입자가 원자핵과 부딪치면 핵이 깨져 양성자나 중성자가 튀어나오거나 여러 개의 원자핵으로 분열되기도 하고 새로운 소립자가 만들어지기도 한다. 최근에는 기초연구뿐만 아니라 생물학, 의학, 재료공학 등에도 입자가속기가 쓰이면서 활용 범위가 넓어지고 있는 추세다.입자가속기는 가속 방식에 따라 선형과 원형으로 나뉘고 가속 입자의 종류에 따라서 전자가속기, 방사광가속기, 양성자가속기, 중이온가속기, 중입자가속기로 구분된다.

선형가속기는 다시 저에너지 선형가속기와 고에너지 선형가속기로 구별된다. 저에너지 선형가속기는 가속시키려는 입자를 고전압에 한 번에 통과시켜 단숨에 가속시키는 방식이며, 고에너지 선형가속기는 입자를 비교적 낮은 전압에 반복적으로 통과시켜 높은 에너지를 얻도록 해 가속시키는 방식이다.

선형가속기는 원형가속기에 비해 균일하고 강한 입자빔을 얻을 수 있고 직선 형태이기 때문에 입자가 위치를 바꿀 때 나타나는 미세한 제동에 의한 에너지 손실이 적다는 장점이 있다. 그러나 가속시키려는 입자 크기가 클수록 가속기가 길어져야 하기 때문에 많은 공간을 차지한다는 단점이 있다. 원형가속기는 이런 단점을 보완하기 위해 입자를 나선(사이클로트론)이나 원(베타트론, 싱크로트론)을 그리며 가속되도록 한 장치다.

포항에서 운용되고 있는 3세대, 4세대 가속기와 오창에 만들어질 가속기는 방사광가속기다. 방사광가속기는 빛의 속도에 가깝게 가속된 전자가 강력한 자기장을 지날 때 방출되는 빛(방사광)을 활용하는 장치로 기초과학뿐만 아니라 연료전지 같은 첨단재료 기술, 세포 영상획득기술, 단백질 구조분석 등에 활용된다.한국원자력연구원이 경주에서 운용하고 있는 양성자가속기는 수소 원자에서 분리한 양성자를 가속시켜 표적에 충돌시킨 뒤 나타나는 표적의 변화와 충돌로 만들어지는 2차 입자인 중성자, 뮤온 등을 연구할 때 주로 쓰이지만 나노, 재료과학 등을 연구할 때도 쓰인다.

중이온가속기는 양성자 가속기와 비슷한 원리이지만 수소보다 무거운 탄소, 칼슘, 우라늄 같은 입자를 충돌시켜 핵반응을 일으켜 나타나는 현상을 연구하는 데 활용된다. 특히 다양한 희귀 동위원소를 만들어 우주 핵반응, 극한 핵물질 등 기초과학 연구에 주로 쓰이는데 기초과학연구원(IBS)이 2021년 대전에 구축할 예정인 ‘라온’이 중이온가속기다.

중입자가속기는 이산화탄소 가스에서 추출한 탄소이온을 가속시켜 인체를 쉽게 통과할 수 있는 중입자빔을 만드는 데 쓰인다. 이를 통해 암 치료나 DNA 손상 회복 메커니즘, 우주 방사선에 의한 인체 영향 등 주로 의학 연구에 활용된다. 국내에서는 부산 기장에 2023년을 목표로 구축 중이다.

과학자들은 “입자가속기는 지역이나 정치인들의 생각처럼 만들어 놓기만 하면 지역경제가 살아나고 산업이 활성화되는 도깨비방망이가 아니다”라며 “구축 이후 어떻게 활용할 것인지에 대한 명확한 로드맵을 세우지 못하면 비싼 실험 장비를 만들어 놓고 놀리게 되는 일이 벌어질 수 있다”고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr