`뮤온 빔` 냉각 첫 성공…차세대 고에너지 입자가속기 청신호

↑ `뮤온 이온화 냉각실험(MICE)` 국제공동연구단이 실험에 사용한 장비. 왼쪽 사진은 뮤온 생성에 활용되는 티타늄(Ti) 합금 표적 물질. [사진 제공 = 울산과학기술원]

과학자들이 사상 최초로 경(輕)입자의 일종인 '뮤온'을 이용해 고에너지 빔을 구현할 수 있다는 사실을 실험적으로 입증했다. 이에 따라 '신의 입자'로 불리는 힉스를 발견한 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)를 뛰어넘는 차세대 고에너지 입자가속기 개발에도 속도가 붙게 됐다. 힉스의 다양한 성질을 규명하는 것은 물론, 새로운 고에너지 물리현상을 탐구할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.
'뮤온 이온화 냉각실험(MICE)' 국제공동연구단은 1980년대 이론적으로 제안된 이온화 냉각기법을 처음 실험적으로 구현하고, 이를 통해 뮤온 빔의 위상공간 부피(부피에 운동량을 더한 개념)를 입자 가속기에 입사할 수 있는 수준으로 줄이는 데 사상 최초로 성공했다고 5일(현지 시간) 국제학술지 '네이처' 온라인판에 발표했다.
MICE 연구단은 미국과 영국, 이탈리아, 한국 등 세계 9개국 150명의 연구자들로 구성돼 있으며 국내에서는 유일하게 정모세 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 교수 연구진이 10여 년 전부터 참여해 왔다. 정 교수는 "뮤온의 위상공간 부피 줄이기는 뮤온을 이용한 입자 가속기 개발의 최대 난제였다"며 "이번 성과로 경입자 기반의 차세대 고에너지 입자가속기 개발이 탄력을 받게 됐다"고 말했다.
뮤온은 우주 방사선이 지구 대기권에 충돌할 때 자연적으로 생성되는 경입자로, 차세대 고에너지 입자가속기에 쓰일 유력한 후보 중 하나다. 인공적으로는 가속시킨 양성자를 티타늄(Ti) 합금으로 만들어진 표적 물질에 충돌시켜 만들어낼 수 있다.
LHC에 쓰였던 양성자 같은 강(強)입자는 서로 강하게 상호작용을 하는 반면, 뮤온 같은 경입자는 상호작용이 약하고 가벼운 데다 복잡한 하위 구조가 없어 입자가속기에 적용해 물질을 관측할 경우 상대적으로 노이즈가 적다는 장점이 있다. 정 교수는 "전자도 경입자이지만 뮤온은 전자보다 힉스 생성 확률이 높아 훨씬 유용하다"며 "건설 비용도 뮤온 가속기가 전자 가속기보다 저렴하다"고 덧붙였다.

↑ 뮤온 빔의 생성과 이온화 냉각 과정. 양성자를 티타늄(Ti) 합금으로 이뤄진 표적 물질에 충돌시켜 생성되는 뮤온 입자들은 사방으로 퍼지는 성질이 있는데, 에너지 흡수체를 통과시키면 에너지가 낮아지면서 부피가 줄어들고 한 방향으로 정렬돼 입자 가속기에 입사할 수 있는 조건이 만들어진다. [자료 = 네이처]

그러나 뮤온의 경우 수명의 2㎲(마이크로초·1㎲는 100만 분의 1초) 수준으로 매우 짧고, 인공적으로 생성된 뒤 불안정한 입자들이 구름처럼 사방으로 퍼지는 성질이 있어 한 방향으로 가속하기가 어려웠다. 정 교수는 "이어 달리기를 해야 하는데 각 선수가 제각기 방향으로 뛰는 것이나 마찬가지"라며 "뮤온을 입자 가속기에 넣어 가속시키려면 뮤온 빔을 냉각시켜 부피를 줄이고 입자들이 같은 방향으로 움직이도록 정렬해야 한다"고 설명했다. 하지만 뮤온의 짧은 수명 탓에 전통적인 냉각기법으로는 냉각이 된 상태에서는 뮤온 입자가 이미 사라져버리는 문제가 있었다.
이에 MICE 연구진은 빠르게 뮤온을 냉각시킬 수 있는 이온화 냉각을 구현하기 위해 지난 20여 년간 연구에 매진해 왔다. 이온화 냉각은 뮤온 빔을 에너지 흡수체에 통과시킴으로써 뮤온 입자들이 이온화 반응에 의해 에너지를 잃고 부피가 줄면서 한 방향으로 정렬되도록 만드는 것을 말한다. 이온화 냉각기법은 30여 년 전 이론적으로 제안됐으나 실제로 이를 통해 뮤온 빔의 위상공간 부피를 제어할 수 있음을 실험으로 입증한 것은 이번이 처음이다. 이번 실험은 영국 러더퍼드애플턴연구소(RAL)의 ISIS 가속기 시설에서 수행됐다.
MICE 연구단은 이번 연구 결과를 바탕으로 CERN에 뮤온을 활용한 차세대 고에너지 입자가속기를 실증하기 위한 파일럿 실험시설 구축을 기획하고 있다. 크리스 로저스 RAL 선임연구원은 "뮤온은 같은 경입자인 전자보다 207배 무겁기 때문에 전자 가속기로 달성할 수 있는 것보다 더 큰 에너지 빔을 만들어낼 수 있다"며 "그만큼 효율이 높기 때문에 뮤온을 활용하면 차세대 고에너지 입자가속기의 규모를 획기적으로 줄일 수 있을 것"으로 기대했다.
[송경은 기자]