차세대 가속기 개발 앞당길 ‘빔 물리 이론’ 나왔다

울산과학기술원(UNIST)은 자연과학부 소속인 정모세(사진) 교수팀이 차세대 가속기 개발에 쓰일 새로운 ‘빔(beam) 물리 이론’을 개발했다고 1일 밝혔다.

가속기는 전자·양성자·이온 등 전하(電荷, 물체가 띠고 있는 정전기의 양)를 가진 입자를 가속해 에너지를 공급하는 장치다. 입자들이 빠르게 이동하면서 빔이 형성된다. 이 빔이 물질에 부딪히면서 발생하는 효과를 이용하면 핵 구조나 자연계의 물리법칙 등을 밝힐 수 있다.

고강도 가속기는 기존 가속기보다 출력이나 전류의 세기를 높여서 운전하는 장치로 차세대 가속기로 각광받고 있다. 여기서 나오는 빔을 이용하면 핵폐기물의 반감기를 줄이거나 핵융합로에 쓰이는 강한 재료를 개발할 수 있다.

가속기 개발에 빔 이론이 활용되지만 기존 ‘공간전하 효과(빔 전류가 높아지면 반발력이 커져 전체 빔의 궤적에 영향을 주는 현상)’ 관련 이론에서는 하전입자(전하를 띠는 입자)들이 수평이나 수직 방향으로 결합해 움직이는 현상이 빠져 있다는 한계가 있었다. 이 때문에 새로운 형태의 고강도 가속기를 설계하고 개발하기 어려웠다.



정 교수팀이 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 이론을 만들어냈다. 가속기 전류를 높일 때 하전입자들 사이에 생기는 반발력, 수평·수직 방향으로 운동하는 하전입자의 결합 현상까지 고려했다. 정 교수팀이 개발한 이론은 차세대 고강도 가속기 개발의 발판을 마련하고, 가속기 성능을 극대화하는 데 이바지할 것이라는 평가를 받고 있다.

정 교수는 “빔 물리 이론은 50년간 사용돼 온 기존 이론을 한 단계 개선한 것”이라며 “핵융합 재료 연구, 핵폐기물 처리, 우주의 기원 탐구 등에 가속기를 활용할 가능성을 열었다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.

이번 연구는 미국 프린스턴 플라스마 물리연구소(PPPL), 독일 중이온 가속기 연구소(GSI)와 공동으로 진행됐다. 연구 결과는 물리학 분야 권위 있는 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’(2016년 11월 25일 자)에 실렸다.