CERN의 가속기 역사 50년

 

 

지금 세계 가속기중 최고 에너지 기록을 갖고 있는 LHC(Large Hadron Collider)는 유럽 연합의 CERN에 있습니다. CERN은 European Organization for Nuclear Research를 의미하는 데 세계 최대의 입자 물리 연구소로 인정받고 있습니다. CERN은 프랑스어인 Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire의 약자입니다. 입자물리 연구소인데 이름에는 왜 Nuclear가 들어있을까요? 이는 설립 당시의 상황에서 유래합니다. CERN이 설립된 해는 1954년으로 유럽의 12개국이 1952년 합의한 안건에서 출발합니다. 연이은 핵발전소 사고로 인해 "핵"이라는 단어가 들어간 사업이나 연구는 지원받기가 힘들어진 현재와는 달리 1950년대에는 핵폭탄과 핵발전소로 인해 "핵"이라는 단어가 들어가야 지원받기가 쉬웠습니다. 이것이 입자물리 연구소인 CERN에 Nuclear라는 단어가 들어가게 된 이유입니다. 그리고 1959년 PS(Proton Synchrotron)가 완공되어 CERN의 첫 번째 가속기 실험이 시작됩니다. 따라서 LHC가 가동된 해인 2009년은 CERN 가속기 실험이 50주년이 되는 해였습니다. 이를 기념하기 위한 심포지엄인

 

From the Proton Synchroton to the Large Hadron Collider - 50 Years of Nobel Memories in High-Energy Physics

 

가 2009년 12월 3일과 4일 CERN에서 열렸습니다. 여기에 가면 발표자료를 볼 수 있습니다.

CERN은 현재 20개국이 회원으로 있으며 6개 나라와 2개 국제 기구가 옵저버 자격 으로 참여하고 있습니다. 그 외 수십 개 나라가 비회원국으로 CERN의 사업에 참여하고 있습니다. 우리나라는 이 나라 중 가장 늦은 2006년부터 비회원국으로 참여하고 있는데 곧 옵저버로 올라갈 가능성이 높습니다. CERN의 20개 회원국중 가장 많이 예산에 기여하는 나라는 독일입니다. 약 20% 가까운 예산을 책임지고 있습니다. 그리고 그 뒤를 프랑스, 영국, 이태리가 따르고 있습니다. 2009년 회원국들로 부터 모은 예산은 약 7억 3천만 유로 (약 1조 4천억원 정도?) 입니다. CERN 회원국의 변화는 이렇습니다.

 

설립당시 회원국: 벨기에, 덴마크, 프랑스, 서독, 그리스, 이태리, 네델란드, 노르웨이, 스웨덴, 스위스, 영국, 유고슬라비아 (총 12 개 국가)

1959년: 오스트리아 가입 (총 13 개국)

1961년: 유고슬라비아 탈퇴 (총 12 개국)

1961년: 스페인 합류 (총 13 개국)

1969년: 스페인 탈퇴 (총 12 개국)

1983년: 스페인 재합류 (총 13 개국)

1985년: 포르투갈 합류 (총 14 개국)

1991년: 핀란드, 폴란드 합류 (총 16 개국)

1992년: 헝가리 합류 (총 17 개국)

1993년: 체코, 슬로바키아 합류 (총 19 개국)

1999년: 불가리아 합류 (총 20 개국)

 

옵저버 국가: 터키 (1961년 부터), 이스라엘 (1991년 부터), 러시아 (1993년 부터), 일본 (1995년 부터), 미국 (1997년 부터), 인도 (2002년 부터)

옵저버 기구: 유네스코 (1954년 부터), EC (European Commision, 1985년 부터)

 

비회원국중 회원국이 될 가능성이 있는 나라: 루마니아, 세르비아

비회원국중 옵저버가 될 가능성이 있는 나라: 파키스탄, 한국

 

마지막으로 40년 전에 나왔던 노래를 소개합니다. 가사를 알고 싶거나 자세한 내용이 필요하시면 (예: 왜 코끼리 그림이 나올까 등) 여기를 클릭하십시오.

 

 

이 노래는 우리나라에도 소개 되었습니다.

 

DESY 50살이 되다

 

독일에서 가장 큰 가속기 연구소라고 말할 수 있는 DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron)가 2009년 12월 18일 50번째 생일을 맞이했습니다. DESY는 막스-플랑크 연구소 집단과 함께 독일 연구소의 양대 산맥을 형성하고 있는 헬름홀츠 연구회(Helmholtz Association)에 속해있는 연구소로 1959년 설립되어 최첨단의 연구를 수행하고 있습니다. DESY가 가지고 있는 가속기는 독일 최대이며 그 동안 핵/입자 물리 분야의 연구를 수행했고 지금은 새로운 분야의 연구에 쓰이고 있습니다. (DESY의 홈페이지는 여기)

 

DESY는 독일 함부르크의 외곽에 위치하고 있습니다. 설립 당시의 목표는 장래의 입자 물리에서 중추적 역할을 수행할 수 있는 세계적 가속기 센터를 만드는 것이었습니다. 1964년 첫 번째 싱크로트론 가속기가 완성되고 여기에서 DESY라는 이름도 생겼습니다. 이 가속기는 당시로는 세계에서 가장 큰 가속기였습니다. 그 후 스토리지 링들이 만들어 지는 데 1974년 DORIS, 1978년 PETRA, 1990년 HERA가 완공됩니다. 90년대 후반과 200년대 초 ZEUS Collaboration에 의해 많은 데이터가 나왔습니다. HERMES Collaboration도 많은 논문을 생산 했었습니다. DESY의 첫 번째 목표였던 입자 물리 실험은 많은 업적을 남기고 지금은 종료되었습니다. 현재는 가속기를 이용한 다른 연구를 추구하고 있습니다. 처음 DESY를 만들 때부터 싱트로트론 복사의 사용은 염두에 두었다고 합니다. (우리나라의 포항 가속기가 이 목적으로 건설 되었습니다. 차이점은 포항 가속기는 처음 부터 싱트로트론 복사 사용에 주안점을 두었기 때문에 입자 물리 또는 핵물리 실험은 초기부터 배제 되었습니다.) DESY의 싱크로트론 복사는 나노 스케일의 연구를 위해 사용됩니다. 재료과학, 바이오 과학등이 주 목표입니다. (PETRA III와 DORIS, free-electron 레이저인 FLASH 그리고 EU의 지원으로 건설될 XFEL이 주 실험 장치가 될 것이라고 합니다. ) 사실 이런 형태의 가속기는 이런 방식으로 많이 사용됩니다. 유럽뿐 아니라 미국의 싱크로트론 가속기도 입자/핵물리 실험을 모두 마친 후에는 용도 변경을 하여 재료과학, 바이오 과학 쪽으로 다시 사용됩니다. 핵/입자 물리 쪽에서는 아쉽지만 DESY의 새로운 그리고 화려한 미래를 기대합니다.

 

 

<공중에서 바라본 DESY>

중국의 핵물리학 이론 연구

 

중국의 이론 핵물리학을 간단히 소개하는 논문집이 출판되었네요. 총 26 개의 논문이 Science in China Series G: Physics, Mechanics & Astronomy의 volume 52, no. 10 에 실렸습니다. 사실 이 저널은 중국 과학원 (Chinese Academy of Sciences)에 의해 발행되는 저널로 50년이 넘는 역사를 가지고 있고 지금은 독일 Springer Verlag에 의해 출판이 되지만 (편집은 중국 과학원이 함) 그리 잘 알려진 저널은 아닙니다. 하지만 중국 내의 연구에 대해서 이런 논문집을 만들기에는 적절한 선택으로 보입니다. 이 논문집의 목적은 최근 중국에서 건설된 대규모 입자 가속기를 이용한 실험에서 나오는 결과를 해석하고 새로운 input을 주는 핵물리학의 이론 분야 연구를 리뷰 하는 것입니다. 중국에서 핵물리학 연구에 사용되는 입자 가속기는 다음과 같습니다.

 

(1) Cooling Storage Ring of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL-CSR): 2007년 완공되어 방사능 이온 빔을 생산합니다. 따라서 우리나라에서 거론되는 중이온 가속기의 성격과 비슷합니다. 연구 주제는 불안정한 원자핵, 핵물질의 isospin 의존도, 붕이온 융합, 초중량의 원자핵 합성, 강입자 물리, 고밀도의 핵물질, 고전하를 갖는 핵이온 등과 그 응용입니다.

 

(2) 베이징 전자-양전자 가속기 (Beijing Electron Positron Collider II)에서 업데이트된 BES-III (Beijing Spectrometer III): 빔의 에너지가 4 GeV에 이르는 전자-양전자 충돌 실험 장치로 등소평의 직접적인 관심하에 건설된 BEPC의 업그레이된 장치. 주로 차모니움 (charmonium) 물리, D (메존) 물리, 타우 (tau)에 관계되는 물리, 그리고 가벼운 강입자의 스펙트럼을 연구합니다.

 

(3) Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF): 2009년 4월 완성된 고에너지 (3.5 GeV)의 광자 빔을 생산 하는 가속기. 광자와 핵자 또는 원자핵의 충돌 실험을 통해 핵물리의 다양한 연구과제 수행을 목표로 함. 이 가속기 시설은 중국에서 가장 큰 규모의 연구 시설로 핵물리뿐 아니라 재료, 바이오를 비롯한 학술 연구와 산업기술 개발에도 이용됩니다.

 

이 논문집에서는 위에 나열한 가속기에서 연구되는 주제를 중심으로 중국에서 수행되고 있는 핵물리학 이론 연구를 리뷰한 것입니다. 여기에서는 대략 다섯 가지 연구에 중점을 두었습니다.

 

(1) 핵물질의 상태 방정식과 열역학, 그리고 QCD. 최근의 관심은 핵물질을 이루는 양성자와 중성자의 비율이 1:1 이 아닌 경우 미디움에서 핵자의 상호작용과 상태방정식이 어떻게 변하는가에 있다. 즉 nuclear symmetry energy가 밀도에 따라 그리고 아이소스핀에 따라 어떻게 변하는가 하는 문제는 방사성 원자핵의 구조뿐 아니라 희귀 동위원소의 붕괴 그리고 중성자 별에 대한 천체물리에도  관계된다. 이에 대한 연구로는 isospin asymmetric nuclear matter의 상태방정식을 기술하기 위한 현상론적인 momentum-independent model, HBT interferometry를 이용해 밀도에 따른 symmetry potential을 연구하는 방법의 문제점, hard-dense-loop을 이용해 zero temperature와 finite quark chemical potential에서 QCD의 상태방정식, strange quark matter등이 리뷰되었다.

 

(2) 강입자 스펙트럼과 붕괴 성질:   의 성질에 대한 연구가 chiral quark model을 이용해 이 강입자의 파동함수에  성분과 성분을 포함시킨 모형에서 연구되었다. 는 채널과 강하게 연결되는데 최근의 연구는 이 입자가 채널과도 강하게 결합하는 걸 보여주고 있고 이는 BES 데이터에사 유추된 의 결합상수가 크다는 것에 의해 뒷받침된다.

 

(3) 이질적인 원자핵의 구조와 반응: 중이온 가속기로 인해 방사성 이온 빔이 가능해 짐에 따라 nuclear chart에서 지금까지 접근하지 못했던 부분에 대한 연구가 가능해졌다.  이질적 (exotic) 핵구조에 대한 이론 연구가 리뷰되었다. 양성자의 방사능과 양성자 드립라인을 넘어서는 proton-rich nuclei 에서 일어나는 현상이 일반화된 liquid-drop model에서 연구되었다. 천체 반응인 과 반응이 Skyrme-Hartree-Fock model 에서 얻어진 평균장 퍼텐셜을 이용해 연구되었다. 또한 에사 발견된 4 개의 밴드, N=Z (중성자의 수 = 양성자의 수) 핵인 , 의 자기 쌍극자 모멘트, 그리고 찌그러진 초핵등이 연구 되었다.

 

(4) 중이온 융합 (fusion)을 통한 아주 무거운 (초중량, super heavy) 원소의 합성: super-heavy element (SHE)의 합성은 수 십년간 핵물리의 주요 연구 과제였다. Z = 103 부터 116 그리고 118 의 SHE의 많은 동위원소가 실험에서 발견 되었고 Z=112 이하의 원소는 이름이 지어졌다. 중국에서는 두 개의 새로운 초중량 원자핵 와 가 HIRFL에서 발견이 되었다. SHE의 생성 단면적과 반감기는 전하 수 Z 가 커짐에 따라 급히 줄어든다. 중이온 융합 반응의 메커니즘을 이해하고 앞으로의 실험을 가이드하기 위해 많은 이론 계산이 수행되었으며 이 중 일부를 리뷰하였다.

 

(5) 새로운 원자핵 모형: 원자핵의 shell model 과 collective model 과 관련된 새로운 모델이 포함된다. nuclear shell model Hamiltonian 의 행렬 원소의 일반적 행동에 대한 연구와 collective model에서는 milti-O(4) model의 4차항까지의 처음 계산에 대한 리뷰가 포함된다.

<Lanzhou에 위치한 HIRFL-CSR. 출처: http://imp.cas.cn>

핵물리학의 연구방향 (서론)

 

앞의 포스트 (1, 2, 3) 에서 미국 NSAC의 핵과학 장기연구 계획을 소개했습니다. 다른 분야를 전공하시는 과학 기술자 뿐 아니라 과학에 관심을 갖고 계시는 분들께 현대 핵물리의 주 연구 분야와 과제를 맛보실 수 있는 기회가 되길 바랍니다. 다음은 NSAC 보고서의 서문입니다. 미국 핵과학 사회의 관점을 나타내는 것 같아 여기 실어봅니다.

 

<서문>

 

2006 년 7월 17일 에너지성의 Office of Science for Nuclear Physics와 국립과학재단(NSF)의 수학 및 물리 과학 감독관은 핵과학 자문위원회(NSAC)에 미국 핵물리 연구의 동향과 우선분야를 검토하고 차후 10년간 미국 핵과학 연구 프로그램의 원활한 진보를 위한 구조를 제공할 장기 계획을 요청했다. 이 요청으로 핵과학 사회는 상향식의 리뷰와 전망에 대한 작업에 착수했다.  이 분야에서 일하는 학자들의 광범위한 제안에 귀를 기울이며 NSAC 멤버를 포함한 59명은 2007년 5월초 미래 연구 방향을 제시할 가이드라인을 개발하기 시작했다. 새 장기 계획 - 핵물리학의 첨단 - 은 이 모임의 결과다.

 

지난 10년간 핵과학의 최우선 과제는 1980년대와 1990년대에 국가에 의해 세워진 장치를 활용하는 것이었다. 이 장치들을 이용한 연구로 인하여 우리는 우리가 살고 있는 세계에 대한 이해를 바꿀 수 있는 중요하고 또 새로운 발견을 많이 해왔다. 그러나 앞으로도 새로운 발견을 위해서는 새로운 장치가 필요하고 새로운 투자 없이는 결코 성공이 계속될 수 없다.

 

지난 10년간의 연구와 경험에 비추어 볼 때, 핵과학에서 지속적인 진보를 유지하고 미래의 새로운 발견을 가능하도록 이끄는 길은 명백하다. 미국 핵과학 사회는 확신하건대 이를 위해서는 이 장기 계획에서 제시하는 새롭고 업그레이드된 장치가 필요하다.  새로운 투자 없이 이 분야에서 미래의 연구는 유럽과 아시아의 과학자들에 의해 주도될 것이다. 일본은 지난 10년간 이미 15억 달러를 새로운 가속기를 건설하고 기존 가속기를 업그레이드 하는 데 사용했다. 마찬가지로 독일과 프랑스가 주도하는 유럽은 새로운 프로젝트에 20억 달러 가까운 자금을 투자 했거나 약속했다. 중국은 새 핵과학 연구 가속기를 지금 건설 중에 있고 인도는 곧 새로운 건설 프로젝트를 시작하기로 약속했다. 핵과학 연구 장치 (가속기)를 새로 만들거나 업그레이드 하기위해 세계적으로 투자되는 금액은 40억 달러에 달한다. 같은 기간 동안 미국에서는 이 분야에서 중요하다고 할 새로운 건설 계획이 전혀 만들어지지 않았다. (주: 5.5억 달러의 미국 FRIB 건설계획이 이 보고서가 나온 후인 2008년 12월에 확정 발표되었습니다. 여기참조)

향 후 10년간 물리 과학 연구의 지원이 두 배가 된다는 약속이 지켜지면 미국은 핵과학에 있어서 최고의 경쟁력을 유지할 자원을 유지할 수 있을 것이다. 새로운 연구비는 가장 필요한 가속기와 검출기 제작에 우선적으로 사용될 것이다. 현존하는 장치의 가동은 현재와 같은 수준으로 계속 유지 돼야 한다. 정규 연구 인력의 수는 거의 비슷하게 유지 될 것이다. 그러나  이 나라에서 미래의 일자리를 위해 대학원 학생 수의 증가가 필요하다. 대학과 국립 연구소의 은퇴 연구원을 대신하고 산업, 의학, 국립 연구소의 새 일자리를 채우기 위해서는 현재보다 박사학위 생산이 20% 정도 더 늘어나야 된다고 전망된다. 더구나 업그레이되거나 새로 만들어질 가속기와 검출기에 대한 투자는 에너지, 의학, 방위 산업, 재료 공학 연구를 포함하는 많은 분야에 응용될 것이 확실하다.

여기 제출하는 새로운 계획. 핵과학의 첨단 (The Frontiers of Nuclear Science)은 미국이 장래에도 핵과학 연구의 선도자가 되는 길을 보증할 방도를 제시한다.

 

 

 <Long Range Plan의 커버>

 

 

 

 

미시건에 세워질 FRIB

 

10년 후 미국 핵물리학의 중요 연구소가 될 희귀동위원소 빔 가속기 (FRIB, Facility for Rare Isotope Beams)가 미시건주 이스트 랜싱의 미시건 주립대학(MSU)에 세워진다고 작년 말 (2008년 12월 11일) 미국 에너지성 (DOE)이 발표 했습니다. 그 동안 이를 따기 위해 일리노이주에 위치한 알곤 (Argonne) 국립연구소와 치열하게 경쟁을 했는데 결국 미시건이 이겼군요. 자동차 산업의 몰락으로 침통해진 미시건주에 약간의 위로가 될지... 총 공사비는 5억5000만 달러, 1 달러 = 1250원으로 환산시, 약 6,900억원의 사업입니다. 물론 추후 연구소 운영에 필요한 경비는 제외고 실제 공사비는 항상 그렇듯 예상보다는 더 들어갈 것입니다. 건설에서 완공까지는 약 10년을 예상하고 있으며 약 1000명의 연구진 (연구원, 대학원생 포함)이 희귀 동위원소와 우주의 진화에 대해 연구할 계획입니다. 실제 건설은 2013년 시작될 예정이고 미시건주에 10억 달러의 경제적 효과를 가져올 것으로 기대한다고 합니다. 이로써 하마터면 문을 닫을 뻔 했던 미시건 주립대학의 핵물리 연구소인 사이클로트론 연구소 (NSCL National Superconducting Cyclotron Laboratory)는 극적으로 살아났고 미시건 주립대학은 향후 미국 핵물리학 연구의 새로운 메카가 되기를 기대할 수 있게 되었습니다. 핵물리학계는 제퍼슨 연구소의 CEBAF, 브룩하븐 연구소의 RHIC과 함께 세 개의 대형 장난감(?)을 가지게 됩니다.

 

 

 

<MSU에 세워질 FRIB의 예상되는 설계, 이미지 출처 : https://www.orau.org>

 

 

 

<FRIB를 호스트하도록 응원하는 MSU 학생들, 이미지 출처 : www.statenews.com>

 

FRIB는 1996년 NSAC (핵과학 자문 위원회)의 보고서에서 처음으로 제안된 이 후 DOE와 NSF 의 많은 위원회의 검토 및 연구를 거쳐 최종 승인이 나기까지 대략 10 여년이 걸렸습니다. (2008년 NSAC의 보고서에서 다시 한번 FRIB를 강하게 추천했습니다.) FRIB의 연구 목적은 핵우주론 (Nuclear Astrophysics)과 핵 구조론 (Nuclear Structure) 연구로 다음과 같은 목표를 세우고 있습니다.

• 태양과 별의 에너지원인 원자핵사이의 반응
• 원자핵의 구조와 핵을 묶는 힘
• 물질의 기본 성질에 대한 이론 검증
• 새로운 핵의학과 기술 발전

 

더 자세한 내용은 다음에 포스트할 예정입니다.