‘노벨상 메이커’ 가속기가 뭐죠?
‘과학비즈니스벨트를 어느 곳에 조성하느냐’는 문제가 정치권의 ‘뜨거운 감자’로 부각됐다. 하지만 과학계는 정치 공방으로 인해 과학비즈니스벨트, 그중에서도 핵심이라고 할 수 있는 ‘중이온 가속기’의 건설이 늦어지는 것을 걱정하고 있다. 중이온 가속기는 가속기(Accelerator) 또는 입자가속기(Particle Accelerator)의 한 종류다. ‘노벨상 메이커’ ‘현대 과학의 연금술사’로 불리는 가속기는 무엇이고, 과학자들은 왜 가속기에 이렇게 목을 매는 것일까.
원자는 양성자, 중성자로 이뤄진 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성돼 있다. 과학자들은 원자보다 더 작은 세계에 대한 연구를 통해 에너지를 얻으려는 노력을 계속해 왔다. 이런 차원에서 원자핵에서 중성자와 양성자를 떼어내 조작·활용하는 기술을 가지려 했고, 그 핵심이 가속기다. 가속기는 원자핵이나 원자핵에서 떼어낸 양성자, 전자, 이온 등의 전기적 성질을 가진 입자를 강력한 전기장을 사용해 빛의 속도(초당 30만㎞)에 가깝게 속도를 높여 충돌시키는 장치다.
이론은 어렵지만 가속기는 실생활과도 가깝다. TV나 컴퓨터 모니터로 사용되던 브라운관도 가속기의 일종이다. 음극선관(CRT)이라고 불리는 브라운관도 전자총에서 가속된 전자를 유리 뒷면에 있는 형광물질에 충돌시켜 나오는 빛으로 우리가 보는 화면을 만들어 낸 것이다.
과학자들은 가속기에서 나오는 입자를 다른 원자핵에 충돌시켜 원자핵이나 물질의 가장 작은 단위인 소립자를 관찰하기도 한다. 충돌로 원자 자체가 변해 새롭게 만들어지는 원자핵 물질을 발견할 수도 있다. 또 반도체 생산 같은 산업용이나 암 치료 같은 의료용으로 사용되기도 한다.
가속기는 원자에서 입자를 떼어내고 이를 다시 가속시켜 충돌시키는 등 구동하는 데 큰 에너지를 필요로 하는 거대과학의 대표적인 장치다. 과학비즈니스벨트에 들어설 중이온 가속기도 부대 연구 시설까지 포함하면 축구 경기장의 몇 배 이상 되는 넓이를 차지한다.
미국, 유럽, 일본과 같은 과학 선진국들은 이미 1910년대 가속기를 개발해, 현재 전 세계에 설치돼 있는 크고 작은 가속기는 약 1만 7000여대에 달한다.
1980년대 이후 노벨상 수상자의 약 25%는 가속기를 활용한 과학적 발견이 주요 업적이어서 노벨상 메이커로 불리기도 하고, 부단히 새로운 물질을 만들어내 현대 연금술사라는 별명을 얻기도 했다.
각각의 가속기는 입자를 가속시킨다는 점에서는 같지만 가속입자의 종류에 따라 양성자 가속기, 중이온 가속기, 방사광 가속기로 나뉜다. 또 가속시키는 방법에 따라 직선형(선형 가속기)과 환형(원형 가속기)으로 다시 구분된다. 국내에는 포항에 3세대 방사광 가속기가 운영되고 있으며, 4세대 방사광 가속기를 추가로 설립할 계획이다. 또 경주에 양성자 가속기가, 부산에는 중입자 가속기(중입자 치료기)가 있다. 과학비즈니스벨트에는 중이온 가속기를 설치할 예정이다.
양성자 가속기는 원자핵을 쪼갤 때 나오는 양성자를 +와 -극을 띠고 있는 가속관 속을 통과시킨 다음 그때 생기는 전기력을 이용해 엄청난 속도를 낸 후 다른 핵에 충돌시키는 장치다. 많은 양성자를 가속시켜 동시다발 혹은 연속적으로 높은 에너지를 생산할 수 있다. 양성자 가속기는 물질의 핵을 깨트려 그 특성과 구조를 파악하는 것은 물론, 물질을 변형시킬 수도 있다. 때문에 물질 구조에 대한 이해와 기초 과학적 연구뿐만 아니라, 물질 구조 변경을 통한 신소재 개발의 산업적 활용과 암 치료 등에 응용할 수 있다.
지난달 교육과학기술부의 21세기 프론티어 사업단인 ‘양성자 기반 공학기술 개발 사업단’은 2002년부터 8년에 걸친 연구 개발 끝에 초당 10경(1경은 1만조)개의 양성자를 만들 수 있는 대용량 선형 양성자 가속기를 개발해 2013년부터 가동에 들어갈 예정이라고 밝혔다. 사업단이 개발한 양성자 가속기는 수소 원자 핵에서 떼어낸 양성자를 가속장치를 통해 빛 속도의 43%에 해당하는 초속 13만㎞까지 가속할 수 있는 장치다. 양성자 발생 용량으로는 미국, 일본에 이어 세 번째로 크다.
양성자 가속기로 가장 유명한 것은 스위스 제네바에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대 강입자 충돌기(LHC·Large Hardron Collider)다. 원형 가속기인 LHC는 장치의 길이만 27㎞에 달하는 초대형 양성자 가속기다. 강한 핵력으로 뭉쳐진 입자인 강입자를 충돌시키는 장치다.
지난해 11월에는 납핵을 충돌시켜 우주 탄생 순간이라는 빅뱅을 재현한 ‘미니 빅뱅’ 실험으로 관심을 모았다.
중이온 가속기는 헬륨(He), 리튬(Li), 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 우라늄(U) 등 주기율표에 있는 다양한 원자를 이온화시켜 가속시키는 장치다. 원자핵보다 작은 미시 세계인 펨토의 탐구를 위해 만들어졌다. 펨토는 1000조분의1미터다. 이를 통해 원소가 만들어지는 생성 원리를 증명할 수 있다.
또 가속된 중이온을 암세포에 충돌시켜 암 치료에 이용하거나 중이온을 빛의 속도로 가속시킨 후 금속판에 충돌시켜 단수명 동위원소를 만들어 핵구조 연구에 이용하기도 한다. 과학비즈니스벨트에 들어설 중이온 가속기는 여기서 더 나아가 첫 번째 가속으로 만들어진 초단수명 동위원소 빔을 다시 가속해 매우 희귀한 동위원소를 만드는 것을 목표로 하고 있다.
방사광 가속기는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시켜 이를 전자석을 이용해 회전시킬 때 발생하는 자외선, X선 등의 빛을 만들어 내는 장치다. 양성자 가속기와 중이온 가속기가 원자들을 충돌시키는 데 초점이 맞춰져 있다면 방사광 가속기는 빛을 가지고 원자나 분자를 보는 장치라고 할 수 있다.
김효섭기자 newworld@seoul.co.kr
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