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이웃집과학자

뮤온 빔 길들이기 실증 성공

By 이웃집과학자

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MICE 연구진이 사용한 실험 장치 사진.

출처UNIST

신의 입자로 불리는 '힉스 입자(Higgs boson)'를 발견한 거대강입자가속기(LHC)를 뛰어넘는 '차세대 고에너지 입자가속기' 개발에 중요한 성과가 나왔습니다. 가속기 실험에 통상적으로 사용하던 전자나 양성자, 중이온이 아닌 '뮤온(Muon)'을 이용한 입자 가속의 가능성을 확인한 것건데요. UNIST 자연과학부의 정모세 교수팀이 참여한 국제공동연구단 MICE(Muon Ionization Cooling Experiment)는 세계 최초로 '뮤온 빔(Muon Beam)의 이온화 냉각(Ionization Cooling)'을 실험적으로 구현했습니다. 관련 연구는 <Nature>에 게재됐습니다.

뮤온입자, 대체 뭘까

뮤온은 우주방사선(Cosmic Rays)이 대기권에 충돌할 때 자연적으로 만들어지는 입자로 LHC 후속 입자가속기에 쓰일 유력 후보 중에 하나로 꼽힙니다. LHC에 쓰이는 양성자와 같은 '강입자(Hardon)'는 서로 강하게 상호작용하지만 뮤온 같은 '경입자(Lepton)'는 상호작용이 약하고 가벼운 덕분입니다. 이런 성질 때문에 힉스 입자의 정확한 성질 파악이나 새로운 고에너지 물리현상 탐구가 가능합니다.

  • 대강입자가속기(Large hadron collider)

유럽입자물리연구소(CERN)에서 운영하는 가속기로 ‘힉스 입자’를 발견하는 데 사용됐습니다. 가속기는 전자와 같은 입자를 빠른 속도로 움직이도록 가속해 물질이나 다른 입자와 충돌하게 만드는 거대한 장치입니다. 이를 통해 물질의 성질을 파악하거나 새로운 물리적 현상을 발견합니다. LHC의 경우는 '양성자'를 서로 충돌시켜 고에너지 현상을 구현하고 힉스 입자도 발견했습니다.

  • 힉스 입자(Higgs Boson)

우주를 구성하고 움직이는 기본 원리를 기본입자 17개와 힘으로 상세히 설명하는 ‘표준모형’에서 예측한 입자로, 2012년 실험으로 관측됐습니다. 17개 기본입자 중 가장 늦게 발견됐으며 질량이 없던 기본입자들에 질량을 부여하는 역할을 합니다.

  • 렙톤(Lepton, 경입자)

물리학에서 스핀이 ½이고, 강한 핵력에 영향을 받지 않는 기본입자. 전자기적 상호작용, 중력 상호작용, 약한 상호작용에만 영향을 받습니다. 그리고 내부 구조가 없고 공간에서 크기를 차지하지 않는 기본적인 입자입니다. 총 6개 종류가 있으며 대표적인 경입자로 전자와 뮤온이 있습니다. 내부구조가 없다는 특징 때문에 입자 충돌 실험에 경입자를 사용할 경우 입자간 상호간섭이 없어 생성되는 물리학적 현상에 대한 정확한 데이터를 얻을 수 있습니다.

  • 강입자(Hardon)

서로 강한 상호 작용을 하는 소립자. 양성자나 중성자 등이 대표적입니다. 경입자는 기본입자인데 반해 강입자는 기본입자인 쿼크 등으로 구성돼 있으면서 종류도 100여 종이 넘습니다. 충돌실험 시 내부 쿼크 구조 때문에 정확한 데이터를 얻을 수 없습니다.

  • 파이온(Pion)

기본입자인 쿼크와 반쿼크가 섞인 강입자 중 하나. 이번 실험에서 양성자를 타겟물질에 충돌 시켜 파이온을 만들었다. 파이온은 중성미자와 뮤온으로 붕괴된다.


그런데 뮤온의 수명이 100만 분의 2초 정도로 매우 짧아 실제로 가속하기는 어려웠습니다. 실험에 쓰일 뮤온은 가속기 실험장치에서 강력한 양성자 빔을 표적에 때려서 인공적으로 얻는데 초기에는 구름처럼 퍼져서 서로 다른 방향으로 움직입니다. 따라서 뮤온 빔을 가속이 일어나는 공간에 집어넣기 위해서는 입자의 부피를 줄이고 입자들이 같은 방향으로 움직이게 해야 합니다. 이러한 과정을 '빔 냉각(Beam Cooling)'이라 하는데 뮤온은 짧은 수명 때문에 전통적인 방법으로는 빔 냉각이 어려웠습니다.


타이타늄(Ti) 합금으로 만들어진 타깃 물질.양성자가 타켓과 출동해 뮤온을 만든다.

출처UNIST

정 교수는 "뮤온과 전자는 모두 경입자이지만, 전자보다 뮤온이 충돌할 경우 힉스 입자 생성 확률이 높아 힉스 입자의 성질 파악에 더 유용하다"며 "건설 비용도 뮤온 가속기가 전자 가속기보다 저렴하다는 점을 고려할 때, '뮤온 빔 냉각 성공'으로 뮤온 가속기 개발이 탄력을 받을 것"이라고 전망했습니다.

1980년대 제시된 '이온화 냉각' 방식 적용했다

ICE 연구팀은 '이온화 냉각'이라는 1980년대에 이론적으로 제시된 방식을 적용해 뮤온 빔을 가속기에 입사시킬 수준으로 냉각하는 데 성공했습니다. 뮤온 빔이 에너지 흡수체(Energy Absorber)를 통과하면서 물질과 이온화 반응으로 에너지를 잃고 부피가 줄며 방향이 정렬되도록 한 것입니다. 이 실험은 영국의 러더퍼드 애플턴 연구소의 ISIS 가속기 시설을 사용해 진행됐으며 이온화 냉각을 이용해 뮤온 빔이 차지하는 공간을 이론에서 예측한 대로 제어할 수 있음을 입증했습니다.

정모세교수(좌)와 성창규 연구원(우).

출처UNIST

정모세 교수는 "뮤온을 이용한 가속기 개발의 최대 난제였던 '뮤온 위상공간 부피 줄이기(Muon Cooling)'에 성공한 것"이라며 "'차세대 중성미자 공장(Neutrino Factory)'과 LHC의 뒤를 이을 '차세대 경입자 충돌형 가속기(Lepton Collider)'를 개발하는 패러다임을 바꿀 중요한 성과"라고 강조했습니다. 

연구 개요도.

출처UNIST/MICE 연구 그룹단

##참고자료##

  • MICE collaboration et al., "Demonstration of cooling by the Muon Ionization Cooling Experiment", Nature(2020) 


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