소형 반물질 가속기, 크기 한계 돌파하며 새로운 물리학 개척

• 과학자들, 기존 가속기보다 1,000배 더 작은 공간에서 반물질 가속하는 새 방법 발견
• 기술이 더 효율적이고 저렴하며 상세한 새로운 물리학 연구에 도움

린액 코히어런트 라이트 소스(Linac Coherent Light Source)와 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider) 같은 시설의 입자 가속기들은 전자, 양성자 같은 기본 입자들을 가속합니다. 과학자들이 초대칭 이론이 예측한 새 입자 탐색, 힉스 보손(Higgs boson) 특성 분석 등 여러 물리학 이론을 검증할 수 있게 합니다.

보통 가속된 입자들을 충돌시켜 다른 모든 입자들에 질량을 부여하는 더 기본적인 입자들을 생성합니다. 작고 초고속 과정(광합성 등) 이미징용 X선 레이저 생산에도 사용됩니다.

하지만 그런 고속 달성을 위해 가속기는 2km 이상 긴 구성요소들을 사용해야 합니다. 몇 년 전 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London) 과학자들이 미터 길이 구성요소만으로 전자 가속 시스템을 개발했습니다.

이제 같은 대학 과학자가 양전자(positron, 전자의 반입자 대응체)를 단 몇 센티미터 길이 시스템에서 가속하는 기술을 발명했습니다.

소형 양전자 가속기의 장점

이 새 기술은 암흑 물질과 암흑 에너지의 특성 등 더 많은 물리학 미스터리 탐구에 도움될 수 있으며, 실리콘 칩과 항공기 더 민감한 테스팅 가능케 합니다.

이 접근법은 거의 25제곱미터를 커버하는 기존 레이저 기술의 특성을 사용해 모델링되었습니다. 성공적으로 시연된다면 전 세계 수많은 실험실이 반물질 가속 실험 수행 가능해집니다.

연구진에 따르면 이 새 기술이 양전자 가속의 크기와 비용을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 현재 같은 실험엔 대형 물리 시설 필요하고 수천만 달러 비용 듭니다.

린액 코히어런트 라이트 소스와 대형 강입자 충돌기 같은 대형 시설에서 쓰는 전략들은 1960년대 초 발견 이후 크게 개선되지 않았습니다. 여전히 비싸고 너무 복잡합니다.

차세대 반물질 가속기들은 효율적이고, 작고, 저렴합니다. 새로운 물리학 탐구 돕고 더 많은 실험실이 노력에 동참할 수 있게 할 것입니다.

참조: Phys. Rev. Accel. Beams | doi:10.1103/PhysRevAccelBeams.21.081301 | 임페리얼 칼리지 런던

힉스 보손 생성 및 물질 테스팅

이 기술은 레이저와 플라즈마를 사용해 반물질을 생성, 집속, 가속해 빔을 만듭니다. 센티미터 길이 가속기가 기존 레이저 기술로 수천만 개 입자로 구성된 양전자 빔을 가속할 수 있습니다. 이 입자들의 에너지 레벨은 2km 스탠포드 가속기에서 생성된 것과 같습니다.

구체적으로 연구진은 입자-셀 시뮬레이션(Particle-In-Cell simulations)을 사용해 기존 레이저가 수백 MeV pC 준단색 양전자 가속 가능함을 시연했습니다.

입자 가속 기술은 2단계 레이저-플라즈마 상호작용 기반 | 크레딧: Aakash A. Sahai

사실 더 높은 비율로 힉스 보손 생성 가능해 과학자들이 그 특성 더 잘 분석할 수 있습니다. 또한 초대칭 이론이 예측한 새 입자 탐색으로 입자 물리학 표준 모형(Standard Model) 설명에도 사용될 수 있습니다.

실용적 응용 측면에서 양전자 빔은 항공기 엔진 블레이드, 동체, 집적 칩 등 다양한 물질의 결함과 파손 위험 분석 가능합니다. 반물질이 전자나 X선과 다른 방식으로 그런 물질들과 상호작용하므로 품질 관리 프로세스에 완전히 새로운 차원 제공합니다.

참고: 21세기 새로운 물리학 | 흥미로운 이론들

유사 기술로 빔 생성한 과거 경험 바탕으로 연구진은 2020년까지 작동 프로토타입이 나올 것으로 꽤 확신합니다.