DESY

DESY, 즉 독일 전자 싱크로트론(Deutsches Elektronen-Synchrotron)은 독일의 함부르크와 베를린 근처 초이텐에 위치한 기초 과학을 위한 국립 연구 센터이다. 이곳은 물질의 구조, 동역학 및 기능을 연구하는 데 사용되는 입자 가속기를 운영하며, 입자 및 고에너지 물리학, 광자 과학, 천체입자물리학, 그리고 입자 가속기 개발, 건설 및 운영의 네 가지 주요 분야에서 광범위한 학제 간 과학 연구를 수행한다. 그 이름은 첫 번째 프로젝트인 전자 싱크로트론에서 유래했다. DESY는 독일연방공화국과 함부르크, 브란덴부르크주의 연방주에 의해 공공 자금으로 운영되며 헬름홀츠 협회의 회원이다.

 기능 및 임무 
DESY의 기능은 순전히 민간 및 평화적 목적을 위한 기초 연구를 수행하는 것이다. 이곳은 입자 가속기 개발, 건설 및 운영, 입자물리학, 천체입자물리학 및 광자 과학 연구를 전문으로 하여 물질의 구조, 동역학 및 기능 사이의 근본적인 관계를 탐구한다. 파트너 기관들과 협력하여 싱크로트론 방사 및 자유 전자 레이저를 사용하여 표면 물리학, 재료 과학, 화학, 분자생물학, 지구물리학 및 의학을 아우르는 광자 과학 연구를 수행한다.

자체 대형 가속기 시설 운영 외에도 DESY는 독일의 유럽 엑스선 자유 전자 레이저, 스위스의 대형 강입자 충돌기, 일본의 벨 II 실험, 남극의 아이스큐브 중성미자 관측소 및 전 세계 체렌코프 망원경 배열 관측소와 같은 여러 주요 국제 연구 프로젝트에 참여한다.

 위치 
섬네일|함부르크 DESY 캠퍼스의 주 출입구

DESY는 두 곳에서 운영된다. 주요 위치는 함부르크의 바렌펠트 지구에 있다. 1992년 DESY는 베를린 근처 초이텐에 두 번째 부지로 확장했다.

 함부르크 
DESY 함부르크 부지는 도시 서쪽 알토나구의 바렌펠트 지구에 위치해 있다. 이곳에는 주요 가속기가 자리하고 있다.

 초이텐 
독일의 재통일 이후 DESY는 베를린 근처 초이텐에 두 번째 부지로 확장했다. 1939년 독일 우편부는 그곳에 핵물리학 연구소를 설립했다. 제2차 세계 대전 후, 이 연구소는 처음에 "연구소 X"로 불리다가 동독 과학 아카데미에 속한 고에너지 물리학 연구소인 고에너지 물리학 연구소()가 되었다. 이 연구소는 1992년 1월 1일 DESY와 합병되었다. 이곳은 이론 입자 물리학을 위한 병렬 컴퓨팅, 엑스선 레이저용 전자원 개발 및 건설, 그리고 감마선 및 중성미자 천문학에 초점을 맞춘 천체입자물리학에 중점을 둔다.

 직원 및 교육 
DESY는 60개국 이상에서 온 약 3,000명의 직원을 고용하고 있다. 대부분의 직원은 함부르크 부지에서 근무하며, 초이텐 부지에는 약 270명이 근무한다. 이 수치에는 다양한 산업-기술 직업에 종사하는 130명 이상의 연수생과 DESY가 감독하는 약 500명의 박사과정 학생 및 박사 후 연구원이 포함된다. 또한 여러 대학의 수많은 석사과정 학생들도 있다.

 예산 및 재정 
이 연구 센터는 공공 기금으로 운영되는 재단이다. 2024년 DESY의 연간 예산은 약 3억 5천 9백만 유로였다 (기관 자금 조달의 일환으로 독일 연방 예산 계획에 따름). 또한 약 3천 2백만 유로의 프로젝트 자금 수입이 있었다. 연간 예산의 90%는 독일 연방교육연구부 (독일)에서 제공하며, 10%는 각각 자유 한자 도시 함부르크와 독일 연방주 브란덴부르크주에서 제공한다.

 입자 가속기 및 기타 시설 
섬네일|함부르크 DESY 캠퍼스 내 PETRA III "막스 폰 라우에" 홀 내부 전경

섬네일|함부르크 DESY 캠퍼스 내 FLASH2 실험 홀

섬네일|LINAC II와 DESY II는 저장 링 PETRA III의 전자 전가속기로, 자유 전자 레이저 FLASH와 함께 광자 과학의 광원으로 사용된다. 또한 DESY 캠퍼스에서 슐레스비히홀슈타인주 셰네펠트 마을까지 이어지는 유럽 XFEL 엑스선 레이저도 보인다.

DESY의 가속기들은 한 번에 모두 건설된 것이 아니라, 과학자들이 입자 구조에 대한 더 많은 통찰력을 얻기 위해 점점 더 높은 에너지에 대한 증가하는 수요를 충족시키기 위해 하나씩 추가되었다. 새로운 가속기 건설 과정에서, 오래된 가속기들은 전가속기 또는 새로운 연구 과제를 가진 실험실을 위한 싱크로트론 방사 광원으로 전환되었다.

 DESY 

DESY 싱크로트론 (Deutsches Elektronen-Synchrotron의 줄임말)은 1964년부터 운영되었다. 둘레는 300m이다. 1978년까지 입자 물리학 실험과 싱크로트론 방사를 이용한 첫 측정에 사용되었다. 그 이후로 여러 번 재건 및 업그레이드되었으며, 검출기 시스템 테스트를 위한 고에너지 입자 빔을 제공하는 전가속기 및 테스트 빔 시설로 사용되고 있다.

 DORIS 

DORIS 스토리지 링 (Double Ring Storage Facility의 줄임말)은 1974년부터 2013년까지 운영되었다. 둘레는 289m였다. 1992년까지 입자 물리학 실험(ARGUS 실험 포함)을 위해 전자와 양전자를 충돌시켰다. 1980년부터 DORIS에서 생성된 싱크로트론 방사는 광자 과학 실험에 사용되었고, 1993년부터 2012년까지 스토리지 링은 전적으로 싱크로트론 광원으로 사용되었다. 그 후 2012년에 입자 물리학 실험 OLYMPUS가 진행된 후 2013년 초 DORIS는 가동이 중단되었다.

 PETRA 

PETRA 스토리지 링(양전자-전자 탠덤 링 가속기의 약자)은 1978년부터 운영되고 있다. 둘레는 2,304m이다. 1986년까지 PETRA에서는 입자 물리학 연구를 위해 전자와 양전자가 충돌했다(JADE, MARK-J, TASSO 및 PLUTO 실험). 1990년부터 PETRA는 HERA 스토리지 링의 전가속기로 사용되었으며, 1995년부터는 두 개의 테스트 실험 스테이션을 갖춘 싱크로트론 방사원 역할도 했다. 2009년부터 이 시설은 PETRA III라는 이름으로 40개 이상의 실험 스테이션에 매우 높은 휘도의 경X선 빔을 제공하고 있다.

 HERA 

HERA 스토리지 링 (Hadron–Electron Ring Accelerator의 약자)은 1992년부터 2007년까지 운영되었다. 둘레는 6,336m이다. 이는 DESY의 가장 큰 링 가속기였고, 현재까지 독일에서 가장 큰 연구 장비였다. 2007년까지 HERA는 입자 물리학을 위해 전자 또는 양전자와 양성자의 충돌을 가능하게 한 세계 유일의 스토리지 링 시설이었으며 (H1, ZEUS, HERMES 및 HERA-B 실험), 양성자의 내부 구조를 연구하는 데 사용되었다.

 FLASH 

자유 전자 레이저 (FEL) FLASH (Hamburg의 자유 전자 레이저의 약자)는 2000년부터 운영되고 있다. 길이는 315m이다. 1997년에 TESLA 프로젝트를 위해 건설된 초전도 가속기 기술 시험 시설을 기반으로 하며, 2005년부터 생성된 FEL 방사선을 이용한 실험 사용자 시설로 사용되었다. FLASH는 7개의 실험 스테이션에 극자외선 및 연X선 범위에서 초단파 빛 펄스를 제공하며, 가속기 및 FEL 기술 개발을 위한 시험 시설로도 사용된다.

 유럽 XFEL 가속기 

DESY는 국제 연구 시설인 유럽 XFEL 엑스선 자유 전자 레이저의 1.7km 초전도 선형 가속기를 운영하며, 이는 고에너지 엑스선 범위에서 초단파 빛 펄스를 제공한다.

 PITZ 

2001년부터 초이텐에 있는 DESY 부지에는 FLASH 및 (2015년부터) 유럽 XFEL용 전자원 연구, 최적화 및 준비에 사용되는 선형 가속기인 PITZ 광전자 주입기 테스트 시설이 있다.

 기타 시설 
이전 DORIS 저장 링 건물에는 현재 SINBAD("Short Innovative Bunches and Accelerators at DESY") 가속기 복합체가 있으며, 다양한 가속기 R&D 인프라를 갖추고 있다. 여기에는 의료용 초단파 전자 펄스를 이용한 가속기 연구를 위한 선형 가속기 ARES, 재료 과학 또는 의료 영상용 초단파 X선 펄스를 생성하기 위한 테라헤르츠파 구동 가속을 위한 AXSIS 시설, 그리고 레이저 구동 플라스마 가속 연구를 위한 고출력 레이저 KALDERA가 포함된다.

LUX 시설도 레이저 구동 플라스마 가속 연구에 사용되며, FLASH의 FLASHForward 실험은 전자빔 구동 플라스마 가속에 사용된다. 상대론적 전자 빔 소스 REGAE는 시간 분해 회절 실험을 위한 초단파 전자 펄스를 생성한다.

이전 HERA 스토리지 링 터널에는 이제 ALPS II 실험이 있으며, 이는 HERA 양성자 링의 변형된 초전도 다이폴 자석을 사용하여 극도로 가벼운 입자를 연구한다.

 컴퓨팅 
DESY는 IDAF(Interdisciplinary Data and Analysis Facility) 내에서 모든 부서의 연구를 위한 광범위한 저장 및 컴퓨팅 용량을 제공한다. 고성능 컴퓨팅 플랫폼인 Maxwell HPC 클러스터는 광자 과학 분석 및 가속기 과학 및 운영에 사용된다. 월드와이드 LHC 컴퓨팅 그리드 (WLCG)의 일부로서 DESY는 대형 강입자 충돌기 (LHC)의 ATLAS 실험, 압축 뮤온 솔레노이드 및 LHCb 실험을 위한 컴퓨팅 및 저장 시스템을 제공하는 Tier-2 컴퓨터 센터를 운영한다. 또한 DESY 그리드 인프라는 벨 II 또는 아이스큐브 중성미자 관측소와 같은 다른 실험에서도 사용된다. 이는 입자 물리학 데이터 분석을 위한 NAF(National Analysis Facility)로 보완된다. IDAF 저장소는 DCache 및 General Parallel File System (GPFS)를 사용하여 제공된다.

 연구 분야 
DESY의 연구는 가속기, 광자 과학, 입자 물리학 및 천체입자 물리학의 네 가지 부서로 구성된다.

섬네일|자유 전자 레이저 FLASH와 유럽 XFEL 엑스선 레이저의 선형 가속기에 사용되는 초전도 공명기는 클린룸에서 처리 및 조립된다.

가속기 부서는 DESY와 그 파트너가 과학적 임무에 사용하는 가속기 시설의 근본적인 기술을 개발한다. 기존 시설의 운영 및 추가 개발(PETRA IV 및 FLASH2020+ 프로젝트, 유럽 XFEL 확장) 외에도, 새로운 가속기 개념, 특히 플라스마 파동장 가속 연구와 초전도 무선주파수 가속기 기술 개선이 중요한 활동에 포함된다.

섬네일|DESY의 PETRA III 싱크로트론 방사선원에서 SARS-CoV-2 바이러스를 연구하는 실험

광자 과학 부서에서는 광자를 사용하여 물질의 구조, 동역학 및 기능을 연구한다. 이를 위해 DESY 광원 PETRA III 및 FLASH에서 빔라인과 실험을 개발, 구축 및 운영한다. 매년 40개국 이상에서 온 3,000명 이상의 연구자들(대부분 대학 출신이지만 비대학 연구 기관 및 산업체 출신도 포함)이 DESY의 광원과 실험실에서 실험을 수행한다. 연구 범위는 기초 연구부터 응용 연구 및 물리학, 화학, 생물학, 의학, 생명과학, 지구과학, 재료 연구 및 문화재 연구 분야의 산업 협력에 이른다.

섬네일|DESY의 검출기 조립 시설(DAF)에서는 CERN의 LHC 가속기에서 ATLAS 및 CMS 실험을 위해 새롭고 더 방사선에 강하며 정밀한 실리콘 추적 검출기가 생산된다(여기서는 CMS용).

입자 물리학 부서는 제네바 근처 CERN의 대형 강입자 충돌기 (LHC)에서 대규모 실험에 참여하고 있다. ATLAS 실험 및 압축 뮤온 솔레노이드 실험을 운영하는 국제 협력의 일환으로, DESY는 하드웨어 설계 및 데이터 분석에서부터 계획된 업그레이드 준비에 이르기까지 LHC의 많은 개발에 기여한다. DESY는 또한 일본 쓰쿠바시의 연구 센터 KEK에 있는 전자-양전자 충돌기 SuperKEKB의 벨 II 실험과 미래의 전자-양전자 선형 충돌기 개발에도 참여하고 있다. 또한 이론 입자 물리학 분야에서도 활발히 활동하고 있다.

섬네일|DESY는 남극의 중성미자 관측소 아이스큐브를 위한 디지털 광학 모듈의 상당 부분을 생산한다.

천체입자 물리학 부서는 우주의 고에너지 과정을 연구한다. 검출기와 망원경은 우주에서 오는 중성미자와 감마선을 분석하여 우주 현상(블랙홀, 폭발하는 별, 극도로 강렬한 방사선 폭발)에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해 DESY는 감마 망원경 MAGIC, H.E.S.S. 및 베리타스는 물론 페르미 감마선 우주망원경에 참여하며, 계획된 체렌코프 망원경 배열 관측소 (CTAO)에도 기여한다. 이곳은 남극의 아이스큐브 중성미자 관측소에서 두 번째로 큰 파트너이다.

 역사 
섬네일|독일 1984년 우표 – DESY 창립 25주년

DESY는 1959년 12월 18일 함부르크에서 설립되었다. DESY의 정관에 따르면, DESY의 임무는 "특히 가속기 개발, 건설 및 운영과 그 과학적 활용, 광자 과학 및 입자 물리학, 천체입자 물리학 분야에서의 기초 과학 연구를 촉진하고, 그와 관련된 연구 개발 작업을 수행하는 것"이다.

섬네일|DESY의 이전 전자-양전자 저장 링 DORIS의 ARGUS 검출기

섬네일|1979년 DESY의 전자-양전자 저장 링 PETRA에서 진행된 입자 물리학 실험에서 강력의 매개 입자인 글루온이 발견되었다.

1959년부터 2007년까지 DESY 가속기는 주로 입자물리학에 사용되었는데, 처음에는 동명의 DESY 전자 싱크로트론 (1964년-현재), 이어서 DORIS (이중 링 저장 시설, 1974년-1992년), PETRA (양전자-전자 탠덤 링 시설, 1978년-현재), 그리고 HERA (강입자-전자 링 가속기, 1992년-2007년)가 사용되었다. 1987년 DORIS의 ARGUS 실험은 B 중간자의 큰 혼합을 처음으로 관찰하여 물질과 반물질이 다르게 행동하는 과정을 밝혀냈다. PETRA에서 진행된 TASSO, JADE, MARK-J 및 PLUTO 실험의 가장 중요한 발견은 1979년 강력의 매개 입자인 글루온의 검출이었다. 1990년부터 PETRA는 더욱 큰 스토리지 링 HERA와 그 네 가지 실험(H1, ZEUS, HERMES 및 HERA-B)의 전가속기로 사용되었다. HERA는 양성자가 전자 또는 양전자와 충돌할 수 있는 세계 유일의 스토리지 링 시설이었다. 이 충돌에서 점 모양의 전자는 탐침처럼 작용하여 양성자의 내부 구조를 스캔하고 고해상도로 가시화했다. HERA의 양성자 내부에 대한 정확한 통찰력은 특히 CERN의 대형 강입자 충돌기 (LHC)에서의 수많은 다른 입자 물리학 실험과 이론 입자 물리학의 수많은 발전을 위한 토대가 되었다.

섬네일|함부르크 DESY 캠퍼스의 싱크로트론 방사선원 PETRA III "막스 폰 라우에" 실험 홀

동시에 1960년대 초부터 DESY, 여러 대학 및 막스 플랑크 사회의 연구 그룹들은 가속기에서 생성되는 싱크로트론 방사를 사용하는 기술을 개발했다. 급증하는 국내 및 유럽 수요를 충족시키기 위해 DESY는 1980년에 자체 대규모 연구소인 함부르크 싱크로트론 방사 연구소 HASYLAB을 개소했다. 이 연구소는 DORIS에 측정 스테이션을 제공했으며, 1986년부터 2004년까지 이스라엘 생화학자 아다 요나트 (2009년 노벨 화학상 수상자)가 리보솜 해독으로 이어진 실험을 수행했다. 1995년부터 PETRA에서는 싱크로트론 방사 및 입자 물리학 실험이 모두 수행되었다. 2009년에는 PETRA 시설이 경X선을 위한 싱크로트론 광원으로만 사용되도록 업그레이드되었다 (PETRA III). 오늘날 PETRA III는 40개 이상의 실험 스테이션에 서비스를 제공하며, PETRA IV 3D X선 현미경으로 확장할 계획이 있다. 2013년 초 DORIS가 가동 중단되면서 HASYLAB이라는 이름은 폐기되었고, DESY의 광원 사용은 이후 광자 과학 부서에서 수행되고 있다.

섬네일|DESY의 자유 전자 레이저 FLASH에서는 전자가 특수 자기 배열인 언듈레이터(노란색)를 통과하면서 연X선 범위의 레이저 빛을 생성한다.

1990년대 초, DESY는 나이오븀으로 만들어진 초전도 공동을 기반으로 한 무선주파수 가속기 기술이라는 새로운 기술을 개발하기 시작했는데, 이 공동은 액체 헬륨으로 약 2K(-271°C)까지 냉각된다. 이 기술을 기반으로 한 첫 번째 가속기는 X선 레이저 광의 SASE(자기 증폭 자발 방출) 원리를 테스트하기 위한 DESY의 초전도 선형 가속기 시험 시설이었다. SASE 이론은 1980년부터 DESY와 러시아, 이탈리아, 미국의 연구소에서 개발되고 개선되었다. 2000년부터 2001년까지 DESY의 시험 시설은 진공 자외선 및 연X선 범위에서 빛 섬광을 생성한 세계 최초의 자유 전자 레이저였다. 오늘날 FLASH 시설은 7개의 실험 스테이션에 연X선 범위의 초단파 빛 펄스를 생성한다. 2020년부터는 방사선의 특성을 더욱 최적화하기 위해 확장되었다 (FLASH2020+ 프로젝트).

2009년부터 2016년까지 DESY가 주도하는 국제 연합체는 유럽 X선 자유 전자 레이저인 유럽 XFEL을 개발했다. 12개 유럽 회원국이 참여하는 이 국제 연구 시설은 비영리 회사인 유럽 XFEL GmbH가 운영한다. 시설의 핵심은 1.7km 초전도 선형 가속기이다. 17.5GeV의 전자 에너지를 가진 이 가속기는 현재까지 세계에서 가장 강력한 초전도 선형 가속기이다. DESY는 유럽 XFEL GmbH를 대신하여 가속기를 운영한다.

2010년부터 DESY는 기존 가속기 기술의 가능한 대안으로 플라스마 가속 기술(레이저 및 전자빔 구동 모두)을 개발하고 있으며, 광자 과학, 입자 물리학은 물론 의료 및 산업 응용 분야를 위한 소형 가속기를 가능하게 하는 것을 목표로 한다.

 DESY 이사회 의장 
DESY는 네 개 부서(가속기, 광자 과학, 입자 물리학 및 천체입자 물리학)의 국장과 행정부, 그리고 혁신 담당 이사로 구성된 이사회에 의해 운영된다. 현재까지의 이사회 의장은 다음과 같다.
 1959년 ~ 1970년: 빌리발트 옌츠케, 설립 이사
 1971년 ~ 1972년: 볼프강 파울
 1973년 ~ 1980년: 헤르비히 쇼퍼
 1981년 ~ 1993년: 폴커 죄르겔
 1993년 ~ 1999년: 비외른 H. 비이크
 1999년 ~ 2009년 초: 알브레히트 바그너
 2009년 ~ 2025년 3월: 헬무트 도쉬
 2025년 4월 1일 ~ 현재: 베아테 하이네만

 공동 연구 센터 
섬네일|함부르크 자유 전자 레이저 과학 센터(CFEL) 내부

함부르크의 DESY 캠퍼스에는 DESY가 참여하는 여러 국가 및 국제 센터가 위치해 있다.
 자유 전자 레이저 과학 센터 (CFEL): 자유 전자 레이저 및 광학 레이저를 이용한 초고속 현상 연구, 극한 조건에서의 빛-물질 상호작용 연구
 구조 시스템 생물학 센터 (CSSB): 바이러스, 박테리아, 기생충의 분자 수준 감염 과정을 연구하는 구조적 시스템 생물학
 X선 및 나노 과학 센터 (CXNS): X선 및 보완 방법을 이용한 응집 물질 연구, 고해상도 X선 영상, 물질 공정 분석

 지식 및 기술 이전 
섬네일|DESY, 함부르크 대학교 및 자유 한자 도시 함부르크의 혁신 센터인 바렌펠트 스타트업 랩은 2021년 9월에 개설되었다.

DESY는 신생 기업을 육성하고 기초 연구의 노하우를 응용 분야에 적용하는 것을 목표로 한다. 예를 들어, 광원 및 실험실에 대한 특별 산업 접근을 통해 산업 문제에 대한 상업 기업을 지원하고, 기초 연구를 기반으로 아이디어, 응용 프로그램 및 제품을 개발하며, 함부르크 및 브란덴부르크 지역에서 DESY 기술을 기반으로 신생 기업을 설립하는 직원을 지원한다. DESY는 함부르크 대학교 및 자유 한자 도시 함부르크와 함께 설립한 DESY 이노베이션 빌리지 및 바렌펠트 스타트업 랩에서 신생 기업에게 사무실, 실험실 및 워크숍 접근을 제공한다.

 각주 

 외부 링크 

 

분류:독일의 연구소
분류:물리학 연구소
분류:함부르크의 교육
분류:함부르크의 단체