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 연구 방향 (제안)

 

앞에서 미국 핵물리 자문위원회 (NSAC)의 장기 연구 계획을 간단히 소개했습니다. 그 보고서는 지금까지의 주요 연구과제의 발전과정과 업적 그리고 앞으로의 주 연구 방향을 제시하며 이를 위한 4가지 주요 제안으로 마무리 됩니다. 향후 10년의 연구 목표를 달성하기 위해 자문위원회에서 결정한 제안은 다음과 같습니다.

 

   제퍼슨 연구소의 12 GeV 업그레이드를 지원해야한다.

이는 (1) 핵자의 구조, (2) 원자핵을 설명하는데 있어 강입자를 이용하는 것과 쿼크-글루온을 이용하는 것 사이의 관계, (3) 속박(confinement)의 본질을 이해하는데 새로운 이해를 하는데 도움이 될 것이다. 현대 핵물리학의 중요과제는 핵자와 핵의 구조와 상호작용을 양자색역학 (QCD)로 이해하는 것이다. 제퍼슨 연구소(JLAB)의 CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility)는 이 연구에서 미국이 리더가 되는데 크게 기여했다. JLAB 가속기의 에너지를 두 배로 늘리는 것은 핵자의 3차원 이미지를 가능케 하여 그 내부에 숨겨진 동역학을 이해하는데 기여할 것이다. 이는 또 원자핵을 기술하는 데 있어서의 두 가지 방법, 즉 강입자를 이용하는 것과 쿼크-글루온을 이용하는 두 방법이 서로 어떻게 자연스럽게 연결되는가를 이해하게 해 줄 것이고 이상한 강입자 (exotic hadron)의 존재 유무를 확인시켜줄 것이다. 패리티 깨짐 (parity violation)을 이용해서, 이는 또 "표준모형을 넘어서는 물리학"을 낮은 에너지에서 연구하여 고에너지 스케일의 연구와 함께 이 분야에 기여할 것이다.

 

  <JLAB의 12 GeV 업그레이드 계획, 출처: www.jlab.org>

 희귀 동위원소 빔 시설 (FRIB, Facility for Rare Isotope Beams)을 건설해야한다.

이 시설은 핵 구조와 반응 그리고 천체물리연구에 대한 세계적 선도 연구 기관이 될 것이다. FRIB에서 만들어지는 새로운 동위원소는 원자핵을 완전히 이해하는 데 도움이 될 것이며 우주에서 원소의 생성과정을 밝히고 중성자 별 외곽에서의 물질을 이해하고 핵과학의 응용에 큰 도움이 될 것이다. 지금 우리는 원자핵에 관한 완전한 이해와 통일된 기술 방법을 찾기 위한 로드맵을 가지고 있다. 오직 FRIB만이 제공할 수 있는 이상한 동위원소 (exotic isotope)에 대한 새로운 데이터가 원자핵을 뭉치게 하는 힘의 근원을 이해하는 데 필수적이다. 이는 물리이론의 유효성을 체크하고 핵의 구조와 반응을 함께 이해하는 길을 열어줄 것이다. 천체물리와 천문학에서의 발전은 희귀 동위원소에 대한 새롭고 정확한 정보가 필요한데 이는 핵의 안정성의 극한에 이르는 동위원소를 포함하고 있고 이에 관한 정보는 FRIB에서 최초로 제공할 수 있다. 이를 이용해서 우주의 화학적 역사와 별의 폭발에서 만들어지는 원소의 생성과정을 이해할 수 있다.  희귀 동위원소는 자연의 근본적인 대칭성을 테스트하는 데에도 필요하고 기초 과학, 국가 안보,  응용분야를 비롯한 여러 학문 분야를 통합하여 효과를 극대화하는데 필수적이다. 이 분야의 연구를 새로운 시대로 이끌기 위해서는 FRIB를 즉각 건설하는 게 필요하다. 이는 현재의 연구 장치인 NSCL, HRIBF, ATLAS와 함께 획기적인 연구를 수행할 것이다.

 <미시건 대학교에 새워질 FRIB, 출처: www.msu.edu>

 뉴트리노의 성질과 근본적인 대칭성을 연구할 실험 계획을 꾸준히 진행해야한다.

 

이 실험들은 뉴트리노의 성질과 아직은 발견하지 못한 시간 대칭성 (time-reversal symmetry)의 깨짐 그리고 기본 힘에 관한 새로운 표준 모형의 주요 종자가 되는 것들을 발견하는데 그 목적이 있다. DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory)의 건설은 이 분야에서 미국이 주도권을 쥐는데 필수적이다. 태양, 실험실, 그리고 대기 중의 뉴트리노 실험에서 발견된 뉴트리노 진동은 우주에서 물질이 반물질보다 많다는 것과 함께 기본 힘에 관한 새로운 표준 모형의 필요성을 불러일으킨다. 핵물리는 뉴트리노를 동반하지 않는 이중 베타 붕괴와 전기 쌍극자 (electric dipole moment), 뉴트리노의 성질과 상호작용 결정 그리고 전기약력 현상에 대한 정밀한 데이터를 제공하여 새로운 표준모형의 대칭성을 발견하는데 이바지할 수 있다. DUSEL은 이런 발견을 주목적으로 하는 연구 프로그램에서 백그라운드 측정을 할 수 있는 능력을 제공할 것이다. 또한 현존하는 그리고 계획 중인 핵물리학 시설에서 새로운 기능을 개발하게 할 것이다. 새로운 표준모형의 개발은 새로운 실험 결과와 함께 더욱 발전된 이론을 필요로 한다.

 <DUSEL의 조감도, 출처: www.lbl.gov>

 상대론적 중이온 충돌기 (RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider) 에서 RHIC II 업그레이드를 지원해야한다.

 

RHIC에서의 실험은 극고온과 밀도에서 새로운 물질의 상태를 발견하였다. 즉, 예상치 못했던 거의 완전 액체 (perfect liquid)의 성질을 보이는 쿼크-글루온 플라즈마를 발견하였다. 이 물질을 더욱 자세히 연구하기 위해 RHIC II 의 업그레이드 (luminosity upgrade)와 검출기의 성능향상이 필요하다. RHIC의 첫 5년간의 실험에서 개가를 올린 중요한 발견들을 위해 쿼크-글루온 플라즈마의 성질에 대한 광범위하고 정량적인 연구가 뒤따라야 한다. 이를 위해 충돌율을 10배 정도로 늘리고 검출기를 업그레이드하고 이론을 더욱 발전시키는 것이 필수적이다. RHIC II 업그레이드로 큰 에너지를 동반하는 제트, 무거운 쿼크의 희귀한 결합 상태등과 같은 플라즈마를 연구하는 독특한 측정이 가능해 진다. 검출기 업그레이드로 실험으로 커버하는 영역을 크게 늘리고 새로운 형태의 중요한 측정이 가능케 된다. 쿼크-글루온 플라즈마의 정량적인 이해를 위해서는 중이온 충돌의 모형, 분석적인 방법, 대용량의 컴퓨터 계산 등에 대한 새로운 투자가 필요하다.

 

<RHIC 실험에서 찍은 금 이온 충돌 사진, 출처: www.wikipedia.org>