입자 가속기

입자 가속기 (粒子加速器)는 물질의 미세 구조를 밝히기 위해 원자핵 또는 기본 입자를 가속, 충돌시키는 장치이다. 같은 원리에 의해 텔레비전에 쓰이던 브라운관과 엑스선관이 작동한다.

가속을 시키는 힘에 따른 분류

입자 물리학에서는 기본 입자들 간의 상호작용을 연구하고자 한다. 그러나 입자들 간의 아주 가까운 거리에서만 일어나는 약한 상호작용(Weak force)과 강한 상호작용(Strong Force)을 관찰하기 위해서는 입자가 큰 운동 에너지를 가지게 하여 입자들이 가까운 거리로 근접하게 할 필요가 있다. 입자 물리학에서 뿐만 아니라 의료 분야에서도 방사선 치료용 가속기가 국내 대부분의 대학 병원에 설치되어 있는 등 활용되고 있으며, 브라운관 텔레비전의 CRT 역시 소형 입자 가속기 중의 하나이다.
입자물리학 연구에서 사용되는 입자 가속기는 원리에 따라 크게 두 종류로 분류 될 수 있다. 첫 째로 선형 가속기는 음극과 양극 사이의 전하를 띤 입자는 전하에 따라 음극 또는 양극을 향해 정전기력을 받게 되고 이 힘에 의해서 가속된다. 원형 가속기의 경우 자기장 속에서 가속기에 걸리는 전압의 부호를 바꾸어 줌으로써 하나의 가속기로 입자를 계속 가속시키는 방법을 택한다.

선형 가속기

선형 가속기는 기본적으로 전하를 띤 입자에 전기장을 걸어 줌으로써 입자를 가속시킨다. 입자에 걸린 전기장이 직류에 의한 것이느냐 아니면 교류에 의한 것인가에 따라 직류 가속기와 고주파 가속기로 분류 되는데, 크게 직류 가속기에는 정전기형 가속기와, 다단배 전압정류형 가속기가 있으며, 고주파 가속기로는 전자가속기와 양성자 가속기등이 있다.

정전기형 가속기

정전기형 가속기는 일정한 전기장을 이용해서 입자를 가속시킨다. 그 대표적인 예시가 탠덤형 반데그라프 가속기(Tandem Van de Graaff Accelerator) 인데, 이 가속기는 반데그라프 발전기를 활용하여 높은 전압차를 얻고 이를 이용해서 입자를 가속시킨다. 반데그라프 발전기는 속이 빈 도체 구와 절연 벨트로 이루어져있으며, 구동 모터로 인해 절연 벨트가 롤러에 물려 움직이는 동시에 코로나 방전을 활용한 대전 장치를 통해 벨트를 대전시킴으로써 도체 구각 내부로 전하를 이동시킨다. 그 뒤, 전하는 도체 구 내부에서 브러시를 따라 구각으로 전달되고 이가 반복됨으로써 고체 구각에 전하가 쌓이게 된다. 반데그라프 가속기는 반데그라프 발전기와 같은 원리로 튜브 안에서 절연 벨트가 전하를 이동시켜 이온이 지나가는 통로를 둘러싸고 있는 도체 판들을 높은 전압으로 대전시킨다. 가속은 두 차례에 거쳐서 이루어지는데, 앞에서 대전된 도체 판에 의해 발생한 전기장에 의한 정전기력()에의해 한 번 가속되고, 터미널(High voltage terminal)안의 탄소 박(Carbon Foil)을 지나면서 전자를 잃어 양으로 대전 된 후, 같은 방식으로 대전되어 반대 방향으로 걸려있는 전기장을 지나면서 한 번 더 가속된다.[7][8]

다단배 전압 정류형 가속기

축전기와 다이오드로 이루어진 전압 멀티플라이어(voltage multiplier)를 활용하여 높은 전압을 걸어주고, 입자를 가속시키는 방식이다.

고주파 가속기

직류 전압이 걸려 있는 경우, 입자를 고 에너지로 가속시킬수록 더 큰 전기장을 걸어주어야만 한다. 그러나 공기가 절연할 수 있는 전기장의 크기에는 한계가 있기 때문에 교류 전압을 걸어주는 방식의 대안으로서 고안되었다.

싱크로트론

전기장과 자기장의 세기를 조정하여 입자의 속도를 가속시키는 동시에 그 궤적을 유지 시킬 수 있도록 하여 사이클로트론의 크기가 무한정 커지지 않게끔 한다. 최근 만들어진 LHC 역시 싱크로톤의 한 종류이다.

가속되는 입자에 따른 분류

기본적으로 입자 자체를 가속시키는 방법은 선형 가속기 및 원형 가속기의 전자기력을 이용한다. 그러나 가속시키는 입자의 종류에 따라 가속기의 구성이 달라지는데 이가 아래와 같다.

충돌형 가속기

빛의 속도에 거의 가깝게 가속시킨 원자핵이나 소립자를 서로 충돌시켜, 우주를 구성하는 궁극적 입자들의 입자의 존재를 밝히기 위한 설비이다.

양이온/중이온 가속기

중이온, 또는 양성자를 빛의 속력에 가깝게 가속시킨 뒤, 표적에 충돌시킴으로써 희귀 동위원소를 만드는데 이용한다.

양이온 가속기

양이온 가속기는 수소 원자로부터 방전을 통해서 전자와 양성자를 분리한 뒤, 분리된 양성자와 전자에 전기장을 걸어줌으로써 양성자만 분리해낸다. 분리된 양성자는 강한 라디오파에 의해 유도된 전기장에 의해서 가속된다.

중이온 가속기

중이온이란 수소, 헬륨보다 무거운 지구상의 모든 원소의 이온을 의미한다. 중이온 가속기는 원소의 기원 탐구, 새로운 동위원소의 발견, 희귀동위원소들을 이용한 신 물질 연구, 의학 응용 연구 등을 위해 중이온을 빛의 속도에 가깝게 가속하는 장치이다. 중이온 가속기는 주입된 원소를 전자 발생 장치를 통과 시켜 원소를 양성을 띤 중이온으로 변화 시킨 뒤, 고 에너지로 가속시킨다. 가속시킨 중이온을 다른 원자핵에 충돌 시키면 희귀 동위원소로 바뀌어 방출된다. 희귀 동위원소는 안정한 동위원소에 비해 중성자의 수가 너무 많거나 적어 반감기가 수 밀리 초 이하인 매우 불안정한 동위원소로 각종 다양한 분야의 연구에 사용된다.
중이온 가속기의 경우 가속시키고자 하는 입자의 질량이 다른 입자의 비해 크기 때문에 더욱 입자가 띠는 하전을 증가 시켜서 가속시키고자 한다. 그 방법 중의 하나로 버클리의 SuperHILAC(여기서 HILAC은 heavy-ion linear accelerator)은 입자를 한 번 가속시킨 뒤 탄소박을 한 번 더 통과시킴으로써 입자가 전하를 더 잃도록 만들고, 2 차적으로 다시 가속시킨다. 최근 한국에서 진행하는 중이온가속기구축사업(Rare Isotope Science Project)에서는 기종과는 달리 사이클로트론(원형 가속기)과 선형가속기를 결합한 형태를 상용한다. 뿐만 아니라 순도 높은 희귀동위원소 빔을 제공하기 위해서 IFF와 ISOL 두 방식 중의 하나만을 택했던 기존과는 달리 IFF 방식으로 중이온 빔을 발생시킨 뒤 감속시키고, ISOL방식으로 재 가속하는 신 개념 방식이 도입되었다.

표준 모형

소립자 물리학의 표준 모형(標準模型, Standard Model)은 자연계의 기본 입자와, 중력을 제외한 그 상호작용 (강한 상호작용, 약한 상호작용, 전자기 상호작용)을 다루는 게이지 이론이다. 강력을 다루는 양자색역학과, 약력과 전자기력을 다루는 와인버그-살람 이론으로 이루어진다. 표준 모형에 따르면, 전자와 중성미자 및 기타 렙톤은 기본 입자이나, 하드론은 쿼크로 이루어진다. 이들은 게이지 보손에 의하여 상호작용한다. 게이지 보손은 이론의 대칭을 나타낸다. 표준 모형의 대칭 가운데 강한 상호작용의 대칭은 가둠으로 인하여 간접적으로만 관찰할 수 있고, 약한 상호작용의 대칭은 힉스 메커니즘으로 인하여 깨진다. 따라서 거시적으로는 전자기 상호작용의 대칭만 쉽게 관찰할 수 있다. 표준 모형은 실험적으로 힉스 메커니즘을 제외하고 1980년대에 완성되었다. 힉스 메커니즘은 표준 모형에서 중요한 역할을 하나, 아직 실험적으로 검증되지 않았다. (2012년 하반기에 실험적으로 검증됨. //추후 확인 기사나 자료 첨가 바람.)

검출기의 역사

엑스선과 방사선을 발견하는 데 있어서 사진은 검출된 입자를 기록하는 중요한 도구였다. 사진 필름에 닿았을 때 화학 물질을 검게 만드는 특성은 직접 입자를 가지고 사진을 찍지 않더라도 검출기의 결과가 사진의 형태로 기록되었다.
러더퍼드에 의해 개발된 섬광 계수기(황화 아연과 같은 특별한 물질로 되어 있어서 입자나 방사선이 이 물질에 닿으면 섬광이 일어나는데, 이를 보고 입자의 위치와 개수를 세어서 알아냄)는 그의 산란 실험들을 가능하게 했다. 보테는 섬광 계수기를 더 발전 시켜 사람이 눈으로 세지 않고 자동으로 입자를 세는 기구를 만들었다. 이런 도구들은 입자의 존재성과 그 위치를 알려 주어 대략의 궤적을 추적할 수 있게 해 준다.
물리학의 검출기는 기능에 따라 입자의 궤적을 보는 장치와 에너지를 재는 장치로 나눌 수 있으며 각각을 궤적 검출기(tracker)와 에너지 검출기(calorimeter)라고 한다.
궤적 검출기는 전하를 가진 입자가 지나간 흔적을 기록하고 그로부터 입자의 전하, 질량 및 운동량을 측정하는 것이 목적이다. 초기의 톰슨 리스 윌슨의 안개 상자가 더 정밀하게 볼 수 있게 하는 거품 상자로 바뀔 때까지 입자 물리학의 궤적 검출기로 활약했다. 양전자와 뮤온도 모두 안개 상자로 발견되었다. 거품상자는 1952년 도널드 아서 글레이저에 의해 높은 밀도의 액체 매질을 사용하는 이온화된 공기가 거품을 형성하게 하는 원리로 발명되었다. 현대에 들어서는 기체를 채운 금속 튜브 다발을 매질 대신 이용하는 선 검출기가 거품 상자를 대신하게 되었다.
에너지 검출기는 입자가 가진 총 에너지를 측정하기 위한 장치이다. 이는 전자기 상호작용을 이용한 것과 강한 상호작용을 이용한 것으로 나눌 수 있다. 전자 에너지 검출기 (Electromagnetic Calorimeter, E-CAL)는 검출기 매질과의 전자기 상호작용에서 나오는 입자의 에너지를 받아들여 전자, 뮤온, 광자를 검출한다. 하드론 에너지 검출기(Hadronic Calorimeter, H-CAL)는 주로 검출기 매질의 핵과 하드론의 강한 상호 작용을 통해 하드론을 검출한다. 이들은 입자가 지나가면서 입자의 진행 방향을 보기 쉽도록 된 작은 셀에 에너지를 쏟아 넣고 가면 궤적 검출기처럼 정확한 궤적을 알 수는 없지만 입자의 대략적인 진행 방향을 확인할 수 있고, 각 셀의 에너지를 모두 합쳐서 전체 에너지를 구한다.
현대의 검출기는 다중 구조로 이루어져 있으며 먼저 입자 빔이 지나가다가 충돌하는 빔 파이프를 정밀한 궤적 검출기가 둘러싸고 있다. 그 다음으로 전자기 에너지 검출기가 그 바깥을, 그리고 다시 하드론 에너지 검출기가 그 바깥을 둘러싸고 있다. 따라서 랩톤과 광자는 전자기 에너지 검출기에, 하드론들은 하드론 에너지 검출기에 각각 포획되고 기록된다. 뮤온은 전자보다 훨씬 무거워 제일 바깥쪽에 뮤온 전용 검출기에 의해 검출된다.

사이클로트론에서 싱크로트론까지

약한 상호 작용과 강한 상호 작용은 아주 가까운 거리에서만 일어나므로, 입자들을 아주 가까이 두기 위한 큰 에너지가 요구된다. 따라서 입자를 빠른 속력으로 움직이게 해서 큰 운동에너지를 가지게 하는 기계를 가속기라고 한다.
어니스트 로런스는 1925년 롤프 비데로에의 논문을 접하고 높은 에너지의 입자를 만들기 위해 반복적으로 가속하는 방법에 관심을 가지고 연구, 마침내 원형으로 입자를 가속하는 장치를 발명한다. 처음에 로런스는 “양성자 회전 목마(proton merry-go-round)”라고 장치를 명명했다.
로런스가 최초로 제작한 사이클로트론은 지름이 약 12 센티미터였으며, 1931년 1월 2일 2,000볼트의 전압으로 최초의 사이클로트론을 가동했을 당시, 양성자는 8만 전자볼트까지 가속되었다. 그의 조수인 스탠리 리빙스턴과 데이비드 슬론은 지름이 약 27센티미터인 두 번째 사이클로트론을 만들었고 100만 전자봍트가 넘는 출력을 얻었다.
입자는 가속될수록 회전 반경이 커지므로, 더 높은 에너지를 얻기 위해서 사이클론의 크기도 커졌으며, 세 번째 사이클로트론은 67 센티미터가 넘었고 양성자는 500만 전자볼트까지 가속되었다.
1931년 8월 로런스의 연구를 중심으로 방사선 연구소가 열렸으며 1934년 27인치 사이클로트론은 특허를 받았다. 네 번째로 37인치 사이클로트론이 만들어졌으며 출력은 중수소를 8메가전자볼트까지, 알파 입자를 16메가전자볼트까지 가속할 수 있었다. 그 후 1946년 차터 힐에 현재 어니스트 올랜도 로런스 버클리 국립 연구소가 설립되었다. 지름 184인치 사이클로트론을 만들어졌으며, 이 때 쓰인 자석의 무게만 무려 4,000 톤에 달했고 출력은 100메가 전자볼트를 넘었다.
사이클로트론의 출력이 높아지면서 입자는 빛의 속도에 가깝게 가속이 되었으며 이것은 입자의 질량 증가로 회전 반지름의 변화, 사이클로트론의 주파수가 변하게 되고 더 이상 일정한 주파수로 가속기 전압의 부호를 바꿀 수 없게 되었다. 따라서 입자의 속도가 대략 빛의 속도의 수 퍼센트 이상이 되면 가속기의 주파수를 늘어난 입자의 질량에 맞추어서 바꾸는 싱크사이클로트론이 발전되었다. 가속기의 주파수는 그대로 두고 자기장의 세기를 변화시키는 것을 등시성 사이클로트론이라고 한다.
이후 싱크로트론으로의 발전은 궤도 전체를 자기장 안에 넢을 필요가 없고 훨씬 작은 부피의 전자석과 약한 자기장만으로 입자를 조종할 수 있으며 상대성 이론의 효과와 관계없이 높은 에너지가지 입자를 가속할 수 있게 되었다. 대표적인 예는 LHC이다.
초기 1954년 6.3기가전자볼트 이상의 에너지 양성자 가속기인 베바트론은 로런스 버클리 연구소에서 가동되었으며, 가장 초기의 형태이다. 이로 인해 1955년 반양성자를 발견했다. 1953년 최초의 기가전자볼트 에너지를 내는 양성자 싱크로트론인 코스모트론은 게이온과 벡터 메손 등을 발견하는 데 크게 공헌했으며, 최초로 V자 궤적을 관찰한다. 이는 1969년 해체, AGS가 건설된다.
입자 가속은 소련의 베크슬러와, 버클리 물리학자 맥밀란이 발견한 위상 안정이라는 개념, 스탠리 리븡스턴과 어니스트 쿠랑 및 허트랜드 스나이더의 강한 집속 작용, 캘리포니아 공과대학의 물리학자 매트 샌드의 다단계 폭포식 가속이라는 개념들의 등장으로 비약적인 발전을 했다. 또란 색다른 금속들의 신종 합금이 거대한 전류를 전도하고, 높은 자기장을 만들어 내면서도 초전도를 유지할 수 있게 한 기술의 비약적 발전은 현재의 입자 가속기를 가능하게 하였다.

입자가속기의 쓰임

입자가속기는 새로운 입자를 발견하는 것 외에 방사광 가속기, 양성자 가속기 등은 생물학연구 및 의학적 용도로도 많이 쓰인다. 고에너지의 입자의 빔은 기초과학과 응용과학연구, 그리고 기술과 산업 분야에 있어서 매우 유용하다. 전 세계적으로 약 26,000대의 입자가속기가 있다. 그중 1%만이 1GeV 이상의 에너지를 이용하여 연구목적으로 쓰이고 있고, 나머지 44%는 방사선요법, 41%는 이온 주입법, 9%는 산업적 절차나 연구, 그리고 4%는 생물학이나 다른 저에너지 연구에 쓰이고 있다.

물리학

입자가속기는 입자 물리학 연구의 실험적인 증거들에 매우 큰 역할을 한다. 입자물리학의 표준모형에 대한 연구는 20세기 중후반에 발달하였으며, 새로운 실험적 발견에 의해 발달하기도 했으며, 혹은 이론적인 바탕으로 표준모형의 존재성이 보여지기도 했다. 1970년대 쿼크의 존재성에서부터 실험적인 입자의 증명이 확립되었다. 그 이후 1977년 보텀쿼크, 1995년 탑쿼크, 2000년 타우 중성미자의 발견은 표준모형의 신빙성을 제공하는 역할을 했다. 또한 2012년 힉스입자의 발견은 모든 예측된 입자들의 발견을 완성했다. 이 발견들에서 입자가속기의 역할은 매우 크다.
가장 큰 고에너지 입자 가속기, 가령 RHIC, CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC), Tevatron은 실험적 입자 물리학에 사용되고 있다.
물질, 공간, 시간의 역학과 구조에 대한 가장 기본적인 질문의 답을 찾아내기 위해 물리학자들은 가장 최대한 높은 에너지에서 가장 간단한 상호작용들을 조사한다. 이러한 것들은 일반적으로 수 GeV와 가장 간단한 입자들 : 렙톤(전자와 양전자), 쿼크, 혹은 광자나 글루온 등의 상호작용들을 수반한다. 고립된 쿼크가 색깔가둠에 의해 실험적으로 쓸모없게 되면서 가장 간단한 실험들은 렙톤끼리, 그리고 렙톤과 핵자들의 상호작용을 포함한다. 쿼크끼리의 상호작용을 연구하기 위해서 과학자들은 핵자들의 충돌에 의지하는데 이는 핵자들이 엄청나게 높은 에너지에서는 그들의 성분인 핵자와 글루온의 상호작용으로 생각될 수 있기 때문이다. 따라서 입자물리학자들은 전자, 양전자, 양성자, 반양성자의 빔을 몇 백 GeV나 그 이상의 에너지로 서로 충돌시키거나 가장 간단한 형태의 핵(수소나 중수소)에 충돌시키는 기계를 많이 이용한다. 핵물리학자와 우주론자들은 핵 그 자체나 빅뱅 당시에 일어났던 것처럼 엄청난 온도와 밀도를 갖는 물질의 구조, 상호작용, 성질을 연구하고 전자를 모두 떼어낸 원자핵을 빔으로 사용하기도 한다. 이러한 연구는 금이나 철과 같이 무거운 원자의 원자핵을 핵자 한 개당 몇 GeV의 에너지로 충돌시킨다. 입자가속기는 양성자를 이용한 의학이나 반응기에서 만들어진 중성자가 많은 동위원소에 상응하는 동위원소 연구를 한다 ; 하지만 최근에는 반응기에서 만들어 내던 를 수소의 동위원소를 가속시켜서 만드는 법을 알아내었다. 하지만 삼중수소를 만들어내기 위해서는 아직도 반응기가 필요하다. 이러한 예로는 Los Almos에 있는 LANSCE가 있다.
하지만 가속기는 새로운 입자를 찾는데만 주목되지 않는다. 입자가속기는 입자들을 충돌시키기 때문에 4차원의 문으로도 생각되고 있다. 실제로 가속기에서는 여러가지 모양의 블랙홀들이 발견되고 있다.

생물학

가속기는 직접적으로 의료 활동에 관여할 뿐만 아니라, 관련 생명과학 연구에서도 활발히 활용되고 있다. 질병 단백질의 구조와 그 기능을 파악하기 위해서 단백질을 순도 높은 상태로 결정화 시킨 뒤, 방사광을 이용하여 결정된 단백질의 회절 무늬를 얻고 이를 컴퓨터로 구조 분석을 해내는 방법이 사용되고 있다. 이 때, 방사광은 가속기로부터 얻어 질 수 있다. 양성자 가속기를 통해 얻어지는 양성자 빔의 경우 생명공학기술 분야에서 환경 친화적인 미생물 유전자원 개발, 채소 및 화훼류의 우량 유전자원과 신품종 개발에 사용되며, 의료 기술에서는 저에너지 양성자 암치료 시스템 개발, 양성자 암치료 기술 연구 및 신약 개발, 의료용 동위원소 개발에 사용된다.

싱크로트론 복사

고에너지 전자를 싱크로트론 복사를 통해 매우 밝고 응축된 빔으로 만들어 원자의 구조, 화학, 농축물질 물리, 생물학, 그 외의 과학 기술 등에 사용하고 있다. ESRF를 이용하여 최근 호박속의 곤충의 정밀한 3차원 이미지를 뽑아내는 것이 그 예다. 이렇게 GeV의 에너지와 고강도의 전자 가속기가 필요하다.

저에너지 장치와 입자요법

X-ray 발전기나 텔레비전의 음극선 튜브에서 입자가속기를 찾아볼 수 있다. 이러한 저에너지 가속기들은 몇 천 볼트의 에너지의 직류전압과 한 쌍의 전극을 사용한다. X-ray 발전기에는 대상 그 자체가 하나의 전극이다. 이온 주입기라고 불리는 저에너지 입자 가속기는 소자회로의 제조에 사용된다.
낮은 에너지에서는 가속된 핵의 빔이 암치료 등의 의학적 목적으로도 쓰인다.
핵반응이 일어날 수 있을 만큼 입자를 가속시킬 수 있는 직류 가속기 형태는 코크크로프트-월튼 발전기, 혹은 교류를 고전압의 직류로 바꾸는 전압 증배기, 혹은 벨트를 통해 운반된 정전기를 사용하는 반 더 그라프 발전기로 사용할 수 있다.