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과학벨트 중이온가속기 어떻게 활용할까




국제과학비즈니스벨트 상상도. 오른쪽 아래 도넛 모양의 시설이 중이온가속기 ‘KoRIA‘다. 출처:국제과학비즈니스벨트추진지원단

국제과학비즈니스벨트추진지원단이 21일 공모를 통해 중이온가속기 개념설계에 들어간다고 밝히면서 국제과학비즈니스벨트의 핵심 연구 장비인 중이온가속기에 관심이 쏠리고 있다. 과학계에선 중이온가속기를 이용해 어떤 실험을 할 수 있을지 벌써 구상에 들어갔다.





●금 핵 충돌시키면 입자 5000개 나와


중이온가속기(Heavy Ion Collider)는 쉽게 말해 중이온을 가속시켜 다른 원자핵에 충돌시키는 충돌장치다. 어떤 입자를 가속시키느냐에 따라 가속기의 종류가 결정되는데, 중이온가속기는 말 그대로 무거운 입자를 가속시킨다. 가령 200여개의 핵자로 구성된 금의 핵은 중이온에 해당한다. 반면 방사광가속기는 전자를 가속한다.

중이온을 충돌시키면 지금까지 자연계에 존재하지 않던 새로운 입자가 만들어질 수 있다. 금 핵의 경우 한번 충돌시킬 때마다 5000개 이상의 입자가 생성될 정도니 중이온가속기에서는 희귀한 원소가 탄생할 가능성이 높다.

일본은 2004년 중이온가속기로 새로운 핵종을 발견해 ‘Japonium’이란 이름을 붙인 뒤 원소번호 113번을 달아 주기율표에 당당히 이름을 올렸다. 자연계에서 발견할 수 있는 원소가 1만 여개 정도로 알려진 만큼 중이온가속기가 찾아낼 원소는 아직도 무궁무진하다.




●초신성 폭발 이론 검증에 활용


핵물리학자들은 중이온가속기가 가동되면 초신성 폭발 이론을 검증할 수 있을 것이란 기대도 하고 있다. 기존 핵물리 이론에 따르면 초신성이 폭발하기 위해서는 초신성 중심의 압력과 밀도가 매우 높아야 한다. 이렇게 밀도가 높은 상태에서는 전자가 존재하기 어렵다는 것이 지금까지 정설이었다.

그런데 최근 밀도가 높은 중심부에도 전자가 존재한다는 사실이 밝혀지면서 초신성 폭발 이론이 논란에 휩싸였다. 가상의 컴퓨터 시뮬레이션을 제외하고는 지상에서 초신성 폭발을 재현하기란 불가능하다. 고려대 물리학과 홍병식 교수는 “중이온가속기로 별의 중심부에 있는 고밀도 물질을 생성해 전자가 존재할 수 있는지 확인하면 폭발 이론을 검증할 수 있다”고 설명했다.




●최대 500MeV로 가속


현재 세계적으로 운영되는 중이온가속기로는 미국 뉴욕 주의 브룩헤이븐국립연구소(BNL)에 있는 RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)가 대표적이다. RHIC는 태양 중심온도의 수십만 배에 이르는 매우 뜨거운 핵 물질을 만들어 빅뱅 직후 초기 우주 상태를 연구하는 데 사용된다.

국제과학비즈니스벨트에 들어설 중이온가속기는 이보다 한 발 더 나갔다. 일명 ‘KoRIA(Korea Rare Isotope Accelerator)’로 불리는 한국형 중이온가속기는 이름에서 짐작할 수 있듯 매우 희귀한 동위원소를 만들 수 있도록 설계된다. 중이온을 가속해 얻은 동위원소 빔을 다시 가속하는 것. 이 경우 새로운 원자핵을 합성할 확률이 높아진다.

입자를 가속하는 에너지 수준도 높다. 현재 운용 중인 미국 미시간주립대의 초전도 사이클로트론이 수십MeV(메가전자볼트, 1MeV=106eV)인 반면 KoRIA는 최대 500MeV까지 에너지를 낼 수 있다. 현재 건립 중인 미국의 ‘FRIB’이나 독일의 ‘FAIR’도 KoRIA와 에너지 수준이 비슷하다. 홍 교수는 “중이온가속기에 들어가는 검출기를 정밀하게 제작해야 실험 결과가 우수하다”고 말했다.

 

 

 

 



이현경 동아사이언스 기자 uneasy75@donga.com



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