'차세대 입자가속기' 단초 찾았다

신의 입자로 불리는 ‘힉스 입자(Higgs boson)’를 발견한 거대강입자가속기(LHC)를 뛰어넘는 ‘차세대 고에너지 입자가속기’ 개발의 단초가 마련됐다. 가속기 실험에 쓰는 전자나 양성자, 중이온이 아닌 ‘뮤온(Muon)’을 이용한 입자 가속의 가능성을 확인한 것이다.

정모세 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수팀을 포함해 20개국 100명의 연구원이 참여한 MICE(Muon Ionization Cooling Experiment)는 세계 최초로 ‘뮤온 빔의 이온화 냉각’을 실험적으로 구현했다고 5일 밝혔다.

뮤온은 우주방사선이 대기권에 충돌할 때 자연적으로 만들어지는 입자로 LHC 후속 입자가속기에 쓰일 유력 후보 중 하나로 꼽힌다. LHC에 쓰이는 양성자와 같은 강입자(Hardon)는 서로 강하게 상호 작용하지만 뮤온 같은 경입자(Lepton)는 상호작용이 약하고 가볍다.

하지만 뮤온 수명이 100만분의 2초 정도로 매우 짧아 실제로 가속하기는 어려웠다. 실험에 쓰일 뮤온은 가속기 실험장치에서 강력한 양성자 빔을 표적에 때려서 인공적으로 얻는데 초기에는 구름처럼 퍼져서 서로 다른 방향으로 움직인다. 뮤온 빔을 가속이 일어나는 공간에 집어넣기 위해서는 입자의 부피를 줄이고 입자들이 같은 방향으로 움직이게 하는 빔 냉각을 해야 한다.

공동 연구팀은 이온화 냉각이라는 1980년대에 이론적으로 제시된 방식을 적용해 뮤온 빔을 가속기에 입사시킬 수준으로 냉각하는 데 성공했다. 뮤온 빔이 에너지 흡수체를 통과하면서 물질과 이온화 반응으로 에너지를 잃고 부피가 줄며 방향이 정렬되도록 한 것이다. 이 실험은 영국의 러더퍼드 애플턴 연구소의 ISIS 가속기 시설을 사용해 진행됐으며 이온화 냉각을 이용해 뮤온 빔이 차지하는 공간을 이론에서 예측한 대로 제어할 수 있음을 입증했다.

정 교수는 “차세대 중성미자 공장과 LHC의 뒤를 이을 차세대 경입자 충돌형 가속기를 개발하는 패러다임을 바꿀 중요한 성과”라며 “건설비용도 저렴하다는 점을 고려할 때 뮤온 가속기 개발이 탄력을 받을 것”이라고 기대했다. 이 연구는 네이처 온라인판에 실렸다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com