국내 건설 고개 드는 가속기의 세계

“가속기를 통해 기초과학중심국가의 꿈을 이루겠다.” 이명박 대통령 당선인의 핵심 공약인 과학비즈니스벨트TF 팀장을 맡고 있는 서울대 물리학과 민동필 교수는 가속기 예찬론자로 유명하다. 새롭게 탄생할 과학도시의 중심에 가속기를 건설해 전 세계 과학자들을 불러 모으겠다는 것이 민 교수의 구상이다. 한국과 같은 기초과학 후진국에도 노벨상 수상자급의 과학자를 불러 모을 수 있다는 ‘가속기’는 과연 어떤 존재일까?

가속기는 전자, 양성자와 같은 전기를 띤 입자를 높은 에너지로 가속하는 장치를 통틀어 일컫는 말이다.

●소립자 실체 증명이 궁극적 목표

가속기에 대한 과학자들의 관심은 ‘초기우주’에서 비롯됐다.1028K(섭씨 553도) 이상의 높은 온도였던 것으로 추정되는 초기 우주의 상황을 알게 되면 물질의 탄생은 물론 생명의 근원까지 파헤칠 수 있기 때문이다. 가속기는 이 상황을 재현하기 위한 필수적 존재다. 또 가속기는 ‘세상을 이루는 가장 근본적인 물질은 무엇일까?’라는 질문에 답을 줄 수 있는 유일한 수단이다.

원자핵과 양성자, 중성자, 전자 등을 더 쪼개 이론상으로만 존재하는 ‘소립자’의 실체를 증명하는 것이 가속기가 추구하는 궁극적인 목표다.

가속기 속에서 전자와 양성자는 빛의 속도에 접근할 수 있다. 가속기 내에 1억 eV(전자볼트)의 전압을 걸어주면, 양성자와 전자는 초속 13만㎞의 속도로 날아가게 된다. 이 정도 속도의 입자는 원소의 핵에 부딪혀서 안에 있는 양성자와 중성자를 밖으로 나오게 할 수 있는 에너지를 갖는다. 이보다 열배 정도의 전압(1기가 eV)을 걸면 양성자는 빛의 속도(초속 30만㎞)에 근접한 초속 26만㎞의 속도로 날아가 원자핵을 중간자와 중성미자 등의 미립자로 깨뜨릴 수 있다. 원자보다 작은 핵 속의 또다른 구성물질을 알아낼 수 있다는 얘기다.

●포스텍 선형가속기, 효용성 없어

가속기는 크게 선형가속기와 사이클로트론, 싱크로트론으로 나뉜다.

포스텍이 1994년 설치한 선형가속기는 입자에 전압을 걸면 원운동 때문에 빠른 시간 내에 에너지를 잃는 단점이 있어 최근에는 거의 지어지지 않는다.

사이클로트론은 기존 선형가속기를 대형화시키는 과정에서 최대한 공간을 활용하기 위해 나선형으로 고안됐다. 사이클로트론에서 양성자의 에너지를 크게 하기 위해서는 일정한 자기장을 만들어주는 전자석을 크게 만들기만 하면 된다. 다만 일정한 자기장을 유지하는데 한계가 있는 만큼 수백만eV 이상 가속시킬 수 없다.

현재 세계 각국이 앞다퉈 뛰어들고 있는 싱크로트론은 입자가 전기장에 의해 가속될수록 자기장의 크기를 함께 증가시킨다. 이 때 입자는 조 단위 이상의 eV를 얻을 수 있다.

미국 페르미연구소 가속기, 유럽입자물리연구소(CERN), 일본 이화학연구소의 ‘Spring8’ 등이 모두 싱크로트론이다. 특히 올 여름 CERN에 완공되는 거대강입자가속기(LHC)는 무려 14조eV의 에너지를 내며 링의 반지름이 4㎞를 넘는다.

●인조 다이아몬드 양산 길 트기도

가속기를 통한 물질 연구 과정에서 나오는 결과물은 그 활용 폭이 무궁무진하다. 전자부품, 신소재, 초전도체 등을 개발하기 위해서는 물질의 원자배열, 화학결합상태 등을 정확히 알고 이해하는 것이 중요하기 때문이다. 실제로 CERN과 페르미연구소에서는 흑연이 다이아몬드로 탈바꿈하는 과정을 구명해내면서 인조 다이아몬드 대량생산의 길을 열기도 했다.

생명공학 분야에서도 가속기의 결과물이 쓰인다. 인간의 몸을 구성하는 단백질의 미세구조를 구명하거나 세포핵내의 중요 부분인 RNA,DNA의 구조 등도 가속기를 통해 알 수 있다. 이 밖에 초고집적회로를 만들고 미세 구조물을 생산하는 산업에도 가속기의 역할은 필수적이다. 민동필 교수가 가속기만 건설하면 세계적인 과학자들이 모이고, 기업들이 투자할 것으로 장담하는 이유가 여기에 있다.

●클린턴도 두손 든 투자비가 걸림돌

가속기는 엄청난 비용이 투자되는 대표적인 거대산업이다. 실제로 1994년 미국 클린턴 정부는 이전의 부시 정부가 승인했던 100억달러 규모의 40조eV 초전도초가속기(SSC) 건설 프로젝트를 중단했다. 이미 20억달러 이상이 투자된 상황이었지만 더 이상의 재정부담을 감당할 수 없었기 때문이다.

과학비즈니스벨트내에 건설될 한국형 가속기에 대한 우려의 목소리도 크다.

과학계의 한 관계자는 “아시아 수준을 아우를 수 있는 가속기를 짓기 위해서는 최소 4조∼5조원 이상의 자금이 지원돼야 한다.”면서 “이처럼 천문학적인 돈이 들어가는 사업에 대한 국민적 공감대가 이뤄질 수 있을지 의문”이라고 말했다.

박건형기자