`세계에서 가장 강력한 레이저는?…한국의 4PW(페타와트) 레이저

↑ 남창희 IBS 초강력 레이저과학 연구단장(GIST 교수)이 세계 최고 출력의 4PW 레이저를 이용한 전자 가속에 대해 설명하고 있다.

한국이 세계 최고 출력의 레이저를 이용해 '역대급 빠르기'로 전자를 가속하는 데 성공했다. 우주에만 존재하는 고에너지 물리현상을 지상에 구현하려는 각국의 총성 없는 전쟁이 한창인 가운데 국내 연구진이 초강력 에너지를 활용한 연구 성과로 학계 이목을 집중시켰다.
28일 제주도 서귀포 KAL호텔에서 열린 'IBS(한국기초과학연구원) 레이저 플라즈마 가속기 콘퍼런스'에서 남창희 IBS 초강력 레이저과학 연구단장(GIST 교수)은 지난 7월 말부터 가동을 시작한 4PW(페타와트·1000조W)급 레이저 빔 시설을 소개하고, 이를 이용한 실험 결과를 공개했다. 27일부터 5일간 열리는 이 행사에는 초강력 레이저 분야 최신 연구 동향을 엿보려는 전 세계 13개국의 약 150명 학자들이 참석했다.
광주과학기술원(GIST)에 있는 연구단의 이 초강력 레이저는 20펨토초(fs·1000조분의 1초)에 순간적으로 4PW의 폭발적인 힘을 내뿜는다. 전 세계 에너지 발전량의 1000배가 넘는 세기다. 펨토초는 빛이 머리카락 굵기의 10분의 1을 스치듯 지나는 '찰나'다. 이렇게 짧은 순간에 초강력 레이저를 허공에 쏘면 전자, 양성자 등 작은 입자들이 갈라지고 '제4의 물질상태'인 플라즈마가 만들어진다. 이 상태에선 우주와 같은 극한의 물리현상이 나타나는데, 대표적인 게 입자가 빛의 속도에 가깝게 빨라지는 '가속 현상'이다. 남 단장은 "4PW 레이저를 이용해 4.5Gev(1Gev=10억 전자볼트)급의 높은 에너지로 전자를 가속했는데, 이는 미국·유럽에서 앞서 구현한 4.2Gev급의 에너지를 뛰어넘는 수준"이라며 "앞으로 10Gev 이상도 도달할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

↑ 27일부터 5일간 제주도 서귀포 KAL 호텔에서 열리는 'IBS 레이저 플라즈마 가속기 콘퍼런스'에는 전 세계 13개국의 약 150명 학자들이 참석했다.

입자 가속은 빛(광자)과 전자의 상호작용 등을 이해하는 기초연구에 활용될 수 있다. 콘퍼런스에 참석한 세계적인 석학 빅터 말카 프랑스 응용광학 연구소(LOA) 박사는 "유럽 일본 미국 등은 1995년께부터 연구를 시작했는데, 2005년부터 10년 늦게 뛰어든 한국이 레이저 가속기를 활용하고 있는 것을 보면 놀라울 정도"라며 "출력을 내는 그 자체보다 어려운 게 실제 기초과학 연구에 활용하는 것인데, 실험 역량까지 갖췄다는 게 한국의 경쟁력"이라고 밝혔다. 또 다른 석학인 챈드라세카 조쉬 미국 UCLA 교수는 "우리가 한국에 온 가장 큰 이유는 IBS 초강력 레이저과학 연구단이 이 분야에서 보여준 뛰어난 성과 때문"이라며 "컨퍼런스가 끝난 뒤 광주 레이저 빔 시설을 방문해 다른 나라보다 얼마나 연구가 진전됐는지를 엿볼 계획"이라고 말했다. 조쉬 교수 외에도 10여개국 42명의 학자가 광주를 방문할 예정이다.
조쉬 교수는 이어 "입자가속기가 하나에 100조원을 호가할 정도로 나날이 크기가 커지고 비싸져서 인류가 우주의 기원과 물질의 상호작용을 이해하기 전에 돈부터 고갈될 판"이라며 "반면 레이저 가속기는 이보다 훨씬 작고 저렴하게 개발될 수 있기 때문에 잠재력이 무궁무진하다"고 설명했다. 기존 입자가속기의 대표격인 미국 스탠포드대 전자 가속기 '슬랙(Slack)'은 직선 길이가 1.8km고, 프랑스의 양성장 가속기 '썬(Cern)'은 원형 둘레가 27km에 달한다. 이에 비해 레이저 플라즈마 가속기의 현재 길이는 약 7cm에 불과하다.

↑ 27일부터 5일간 제주도 서귀포 KAL 호텔에서 열리는 'IBS 레이저 플라즈마 가속기 콘퍼런스'에는 전 세계 13개국의 약 150명 학자들이 참석했다.

초강력 레이저를 둘러싼 세계 각국의 경쟁은 2004년부터 본격적으로 불 붙기 시작했다. 영국 미국 프랑스의 3개 연구진이 동시에 국제학술지 '네이처'지에 논문을 발표하면서다. 당시 레이저 가속기를 뜻하는 '드림 빔(Dream beam)'이 네이처 표지를 장식하기도 했다. 한국은 이 무렵부터 연구를 시작한 후발주자였지만, 2012년까지 9년간 투자 끝에 선두 반열에 올랐다. 그러나 다른 나라들의 추격도 만만치 않다. 남 단장은 "유럽연합(EU)이 지금 체코, 헝가리, 루마니아 3개국에 10PW짜리 시설을 짓고 있으며 2019년께부터는 가동이 시작될 것으로 보인다"며 "중국 역시 5PW짜리 시설을 만들었다 주장하는데, 실제 실험 가능한 수준은 아니지만 정부 차원에서 대대적인 투자를 하고 있다"고 말했다.
레이저를 활용한 입자 가속기의 가능성은 암 치료부터 다양하다. 말카 박사는 "물리학, 유전자학 등 연구에 쓰일 수 있음은 물론이고 양성자 가속기는 암 치료에도 활용할 수 있다"며 "유방암을 초기 단계에서부터 진단하는 것도 가능해진다"고 말했다. 남 단장은 "현재는 100Mev(1MeV=100만 전자볼트)급의 에너지로 양성자를 가속할 수 있는 수준인데, 그 2배인 200Mev에 도달하면 기존 양성자 치료기보다 작고 저렴한 '미니 암 치료기'를 만들 수 있다"고 말했다.
레이저 빔 두 개로 광자와 전자를 충돌시켜 만들어지는 '감마선'은 핵물리 연구나 핵 변환 등에도 쓰인다. 남 단장은 "핵의 반감기를 몇만년에서 며칠로 단축시키는 등의 시도를 할 수 있다"며 "화물 컨테이너 속에 있는 우라늄 등 핵물질을 감지하는 데도 유용하게 쓰일 수 있다"고 말했다. 조쉬 교수 역시 "X-레이로 핵 우라늄을 감식하면 테러리스트들이 선박이나 비행기 등에 몰래 숨긴 수소핵 원자폭탄 등을 포착할 수 있기 때문에 핵 테러 방지에도 기여하게 된다"고 강조했다.
[제주 = 김윤진 기자]