유럽 핵물리학의 장기 연구 계획

 

이번에는 유럽 핵물리학계의 장기 연구 계획을 소개합니다. 이 보고서는 2004년 발간된 것으로 미국의 보고서보다는 약 4년 먼저 나온 것입니다. 유럽은 미국과 함께 과학 분야를 선도하는데 미국과의 차이는 한 국가가 아니라 여러 나라가 연합하여 계획을 작성합니다. 이 보고서 또한 핵물리학 유럽 공동 연구 위원회 (NuPECC, Nuclear Physics European Collaboration Committee)의 이름으로 발간되었습니다. 유럽과 미국의 보고서는 비슷한 구도로 되어있고 다루는 내용도 비슷합니다. 페이지수도 183쪽과 184쪽으로  한 페이지밖에 차이나지 않습니다. 미국의 보고서는 장기 연구를 크게 네 가지로 잡은 반면 유럽은 다섯 가지를 잡았습니다. 내용은 비슷한데 유럽의 보고서는 (1) 양자색역학(QCD), (2) 핵물질의 상 (phase), (3) 핵의 구조, (4) 우주에서의 핵물리, (5) 근본 힘과 응용, 이 다섯 가지를 주요 분야로 택했습니다. 그 동안 이루어진 연구 성과로는 당연히 유럽에서 수행된 실험과 이론 연구를 위주로 소개합니다. 그리고 유럽각국의 연구소와 주연구과제를 설명하고 결론으로 몇 가지 제안을 합니다. 유럽의 연구소들은 다음에 소개하고 먼저 이 보고서의 몇 부분만을 간추렸습니다.

 

(일반적인 추천사항)

NuPECC는 현존하는 경쟁력이 있는 렙톤, 양성자, 안정된 동위원소, 방사성 이온 빔의 장치를 이용한 연구를 완전히 개발하기를 추천한다.

이는 중요한 물리적 발견 외에도 장래의 빔 생성과 검출기를 위한 R&D가 될 것이며 차세대 물리학자들을 위한 교육이 될 것이다.

LHC의 완공에 맞추어 ALICE 검출기를 제 떼에 빨리 완성하기를 추천한다.

LHC의 중이온 프로그램에서 쿼크-글루온 플라즈마의 연구는 ALICE에 의해 실행된다. 이는 저번 장기 계획에서 최우선 순위로 추천한 항목이다.

 

현존하거나 혹은 장래의 실험으로 부터 제기될 근본 문제를 다룰 이론 분야의 발전을 위해 각국의 이론 그룹을 강화시켜야한다.

이탈리아 트렌토에 위치한 ECT* 센터가 핵물리 이론의 발전에 지대한 공헌을 해왔다. 특히 핵물리와 강입자 물리의 결합에 큰 공헌을 하였고 이 센터에 대한 지원은 계속되고 확대되어야한다. 하지만 지난 10년간 각 대학교에서는 이론 분야의 지원이 충분하지 않았다. 이 장기계획에서 제시하는 목적 달성을 위해서는 활발하고 즉각적인 지원이 필요하다.

 

일반 대중을 상대로 한 핵물리 교양교육을 강화해야한다.

(이것에 대해서는 다 이상 설명할 필요가 없을 듯합니다.)

 

(세부적인 추천사항)

독일 담쉬타트의 GSI 연구소에 지어질 국제 프로젝트인 FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research)의 건설을 최우선으로 할 것을 추천한다.

이 새로운 국제 공동 장치는 핵물리의 여러 세부 분야의 연구에 새로운 기회를 줄 것이다. IFF (In-Flight Fragmentation)을 사용하는 이 가속기는 미국이나 일본에서 계획중이거나 건설 중인 가속기보다 더 나은 성능을 가지고 있다. 낮은 에너지부터 높은 에너지 그리고 새로운 스토리지 링 등으로 무장한 이 가속기는 핵구조와 천체핵물리에서 세계를 선도하는 연구소가 될 것이다. 특히 안정된 부분에서 멀리 떨어진 오직 짧은 시간에만 존재하는 이상한(exotic) 원자핵을 다루는 연구에서 세계적 선도연구소가 될 것이다. 그리고 고에너지 고강도의 중이온 빔은 농축된 중입자 물질을 연구하는데 새로운 방법을 제시할 것이다. 고에너지 스토리지 링 (HESR, High Energy Storage Ring) 의 양질의 반양성자 빔은 계획 중인 검출기 PANDA와 함께 QCD에 의해 예측된 새로운 강입자 상태를 찾는 기회를 줄 것이다.

 

EURISOL의 건설에 GSI 다음의 최우선권을 주도록 추천한다.

방사성 빔을 만드는 ISOL (Isotope Separation On-Line) 방식은 IFF 방식을 보완하는 방식이다. 제 1세대 ISOL 방식의 가속기는 첫 번째 결과를 내기 시작했고 그 가능성을 충분히 보여주었다. 차세대 ISOL 방식의 방사능 이온 빔 (RIB, Radioactive Ion Beam)을 생산할 EURISOL (EUropean ISOL)은, 2013년 이후, 현존의 가속기보다 강도나 빔 종류에 있어 10배 이상의 능력을 갖는다. EURISOL의 건설 시간표로 인해 생기는 제1세대 ISOL과 EURISOL의 갭을 메꾸기위해 제2세대 ISOL 의 건설을 촉구한다. 이는 현재 계획중이거나 건설 중인 가속기로 프랑스 GANIL의 SPIRAL2, 이태리 LNL의 SPES, 스위스 CERN의 REX-ISOLDE 업그레이드와 독일 뮌헨의 MAFF등이다.

 

이태리 그란 사소 (Gran Sasso)의 지하 실험실에 고효율의 Ge 검출기를 갖춘 고 전류의 가벼운 이온 빔을 위한 5MV 가속기 설치에 우선권을 주도록 추천한다.

이는 현재 그란 사소에 있는 세계적으로 드문 시설의 늠력을 향상시키고 천체물리에서 중요한 반응을 실험실에서 연구할 기회를 제공한다.

 

수 GeV의 렙톤 충돌 실험은 아주 흥미롭고 중요하다. 이는 강입자의 구조와 QCD를 다양하게 테스트할 수 있게한다. 따라서 이 분야의 연구를 전 세계의 기존 또는 계획 중인 가속기를 이용해 국제 협력을 통해 강화해야한다.

 

AGATA의 건설과 이를 위한 R&D를 활발히 할 것을 촉구한다.

기존의 그리고 미래의 가속기를 환전하고 효과적으로 이용하기 위해서는 장비와 검출기의 성능 향상이 반드시 필요하다. 감마선 검출과 추적을 위한 고성능의 Ge-검출기인 AGATA 프로젝트는 유럽의 여러 연구소에서 진행 중인 핵과학의 여러 분야의 연구에 큰 도움이 될 것이다.

<NuPECC에 참여하고 있는 유럽의 국가들, 이미지 출처: www.nupecc.org>

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>