소형 입자가속기의 세계 기록

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-16

버클리연구소 연구진이 레이저 플라즈마 ‘탁상형’ 가속기의 에너지를 올리고 있다. 세상에서 가장 강력한 레이저들 중 하나를 이용한 연구진이 아원자 입자들을 이제껏 소형 가속에서 달성된 가장 높은 에너지로 가속시켰다. 미에너지부 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National Lab) 연구팀은 특수한 페타와트 레이저와 플라즈마라고 불리는 대전입자 가스를 이용하여 입자들을 가속시켰다. 레이저 플라즈마 가속기(laser-plasma accelerator)라고 알려져 있는 이 실험장비는 물리학자들이 수마일 길이의 전통적인 가속기를 탁상 위에 올려놓을 수 있을 정도로 축소시킬 수 있다고 믿고 있는 새로운 종류의 입자가속기이다. 연구진은 9센티미터 길이의 플라즈마 튜브 내부에서 전자 입자들을 가속시켰다. 이 속도는 4.25기가전자볼트의 에너지에 해당한다. 이렇게 짧은 거리에서의 가속은 전통적인 입자가속기들보다 1,000배나 더 큰 에너지 기울기에 해당하는 것이며 레이저-플라즈마 가속기에서 얻어진 에너지의 세계 기록을 달성한 것이다. “이 결과를 달성하는 데에는 레이저와 플라즈마를 절묘하게 제어하는 것이 요구된다”고 버클리연구소의 가속기기술 및 응용물리부의 책임자이자 이번 논문의 주저자인 윔 리만스(Wim Leemans) 박사는 말했다. 이번 결과는 ‘Physical Review Letters’ 최신호에 발표되었다. CERN에 있는 둘레가 27.36km인 거대강입자충돌기(Large Hadron Collider)와 같은 전통적인 입자가속기들은 금속 공동 내부의 전기장을 변조시켜서 입자들을 가속시킨다. 이 기술은 미터당 약 100메가전자볼트가 한계이며, 그 이상에서는 금속이 파괴된다. 레이저-플라즈마 가속기는 완전히 다른 접근방식을 취하고 있다. 이번 실험에서는 플라즈마를 포함하고 있는 짧고 얇은 빨대 비슷한 튜브 속으로 레이저 광 펄스가 주입된다. 레이저는 자유전자를 포획하여 높은 에너지로 가속시키는 채널을 플라즈마 속에 만든다. 이것은 서퍼가 파도의 표면에서 미끄러져 내려올 때 속력을 얻는 방식과 유사하다. 이 기록적인 에너지는 세계에서 가장 강력한 레이저들 중 하나인 BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator)의 도움으로 달성되었다. 페타와트를 출력하는 BELLA는 작년에 가동을 시작했다. “리만스 연구팀이 BELLA에서의 첫 번째 가동에서 기록적인 결과를 얻은 것은 이례적인 성과”라고 버클리연구소 물리과학 부소장인 제임스 시몬스(James Symons)는 말했다. BELLA는 고에너지 가속 외에도 그 정밀한 제어 능력으로도 명성이 높다. “우리는 약 14미터 정도 떨어져 있는 500 마이크론 구멍 속으로 레이저 빔을 집어넣는다. BELLA 레이저 빔은 우리가 사용할 수 있을 정도로 충분히 높은 지향 안정성을 갖고 있다. 수많은 레이저들로도 이러한 성능은 결코 달성될 수 없었다”고 리만스는 말했다. 이번 연구진은 그렇게 높은 에너지에서 다양한 매개변수들이 결과에 어떻게 영향을 끼치는지를 관찰해야 했다. 그래서 그들은 레이저를 켜기 전에 NERSE(National Energy Research Scientific Computing Center)에서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 실험기구를 시험했다. “실험기구의 작은 변화도 큰 교란을 일으킨다. 우리는 가속기의 가동 영역과 최선의 통제방법을 알아내고 있다”고 버클리연구소 가속기기술 응용물리학 수석과학고문인 에릭 에서리(Eric Esarey)는 말했다. 리만스의 단기 목표는 10기가전자볼트이지만, 훨씬 더 높은 에너지로 전자들을 가속시키기 위해서는 레이저 광이 흐르는 플라즈마 채널의 밀도를 더욱 정밀하게 제어해야 할 것이다. 본질적으로는 더욱 강력한 전자를 다루기에 적합한 모양을 가진 광 펄스를 위한 터널을 만들어야 한다. 플라즈마 채널의 형태를 조절하는 새로운 기술을 증명하는 것이 향후 연구 과제라고 리만스는 말했다. 이번 연구는 ‘Physical Review Letters’ 2014년 12월 8일호에 ‘자체포획 영역에 있는 모세관방전유도 서브페타와트 레이저 펄스로부터 얻어진 다중 GeV 전자 빔(Multi-GeV electron beams from capillary-discharge-guided subpetawatt laser pulses in the self-trapping regime)’이라는 제목으로 발표되었다. 375_250-laserplasmaaccel.jpg http://www.photonicsonline.com/doc/world-record-for-compact-particle-accelerator-0001