중성자별을 향해

중이온가속기 라온에는 이렇게 오랫동안 해외 가속기에 더부살이를 해온 국내 핵물리학자들의 꿈이 고스란히 담겨 있습니다. 홍 센터장은 “지난 10여 년에 걸친 라온 구축 과정은 기초과학 발전에 대한 국민과 정부의 이해가 없었다면 불가능했을 일”이라며 “이런 범국가적 이해와 협력에 답하는 길은 이제 라온을 통해 세계적인 연구결과를 양산하고 우리나라가 선도적인 기초과학 강국으로 발전하는 것”이라고 강조합니다. 2018년 한국연구재단 선정 SRC로 출범한 ‘극한 핵물질 연구센터’는 이런 핵물리학계의 오랜 염원과 희망을 현실화할 한국 최초의 핵물리학 연구그룹입니다. 그간 우리나라의 핵물리학 연구자들은 각 대학에 흩어져 개별적으로 해외 가속기를 이용하며 ‘각자도생’ 방식의 연구를 해올 수밖에 없었습니다. 하지만 이제 중이온가속기 라온과 극한 핵물질 연구센터라는 강력한 구심점을 중심으로 연구역량을 결집할 수 있게 된 것이지요.

센터의 연구 목표는 ‘입자 가속기를 이용한 핵충돌 실험과 새로운 실험데이터를 설명할 수 있는 강한상호작용 유효이론 개발’입니다. 좀 더 간단히 설명하면 우주 탄생의 과정을 시간 순으로 밝혀내는 것입니다. 3개의 연구그룹 역시 빅뱅 이후 우주의 생성 순서에 따라 구성되어 있습니다. 세계 핵물리학계의 연구주제들을 두루 다루고 있는 것이지요. 1그룹은 우주 탄생 직후 생성된 쿼크-글루온 플라즈마를 연구합니다. 2그룹의 탐색 영역은 쿼크와 글루온이 결합되어 강입자로 변하는 과정인 강입자 핵물리입니다. 3그룹은 자연계에서 사라진 희귀 동위원소의 구조와 압축된 저온 핵물질 특성을 연구하는 핵 구조 및 천체핵물리 분야입니다. 연구센터는 이를 통해 아직까지 인류가 알고 있는 핵력으로 설명되지 않는 중성자별의 구조를 파헤치려 하고 있습니다. 이는 해외의 다른 가속기들보다 더 중성자별과 비슷한 환경을 만들어낼 수 있는 라온의 차별성 덕분에 가능한 꿈이기도 합니다.

라온은 200MeV/u의 가속에너지, 400kW급의 가속출력으로 현재 운영 중이거나 비슷한 시기에 가동을 시작할 세계의 중이온가속기 중에도 가장 우수한 사양으로 만들어지고 있습니다. 특히 원자번호 1번 수소부터 92번 우라늄까지 실질적으로 지구상의 거의 모든 원소를 실험에 이용할 수 있다는 게 자랑거리입니다. 또한 두 가지 동위원소빔 생성방식을 결합하는 전례 없는 시도로 국제학계의 큰 주목을 받고 있습니다. 동위원소의 생성방식은 크게 ISOL(Isotope Separation On-line)과 IF(In-flight Fragmentation)으로 나뉩니다. 해외의 가속기들은 대개 둘 중 하나를 선택해 사용하지만 라온은 세계 최초로 두 가지 방식을 동시에 혹은 따로 이용할 수 있습니다. ISOL에서 일차적으로 추출한 동위원소를 재차 IF에서 가속·충돌시키면 지금까지의 핵 이론으로 설명할 수 없었던 철(Fe) 이후 무거운 원소들의 실체에 접근할 가능성이 더욱 커집니다. 연구센터가 중성자별들의 충돌로 발생했다고 예측하고 있는 무거운 핵반응의 영역이지요.

기초과학 강국의 미래

핵자 당 수천만 전자볼트의 저에너지 중이온 충돌실험에서 파편 핵들의 궤적을 3차원적으로 추적하는 기체검출기, 핵 구조 연구에 필수적인 강력한 시간분해능의 감마선 검출장치 등이 그것입니다. 또한 연구센터는 출범 직후 프랑스 GANIL 핵물리연구소의 FAZIA 실험에 참여하며 원자번호 1부터 50번까지 광범위한 범위에서 동위원소를 구분할 수 있는 첨단 실리콘-결정체 융합검출기의 실리콘 센서와 신호처리 전자장치도 개발 중입니다. 이들 모두 라온 실험에서 입자의 종류를 판별하고 에너지를 정밀하게 측정할 검출기들입니다.

극한 핵물질 연구센터는 라온 완성 이후뿐만 아니라 현재 해외 가속기들에서 진행 중인 실험에도 적극적으로 참여하여 많은 성과를 올리고 있습니다. 최근에는 연구센터 소속의 대학원생이 미국 브룩해븐국립연구소(BNL)에서 진행된 RHICf 실험을 통해 운동량이 0에 가까운 영역에서 전혀 예상치 못했던 양성자의 스핀 비대칭성을 발견했습니다. 이 현상은 기존의 강한상호작용 이론으로 설명이 불가능한 영역의 핵력을 이해하는데 매우 중요한 단서를 제공하며 올해 6월 물리학 분야의 최고 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters)에 실렸습니다. 이와 함께 연구센터는 요즘 눈앞으로 다가온 라온의 완성을 앞두고 대형 핵물리 실험장치인 LAMPS 검출기의 적기 완성에 더욱 박차를 가하고 있습니다. 라온의 고에너지 실험동에 설치되는 LAMPS 검출기는 연구센터 참여 연구자들이 라온 구축사업 전에 이미 실험 아이디어를 제안하고 장치 제작에 필요한 중성자 검출기, 전하를 띤 입자의 비행궤적을 추적하는 시간투영검출기(TPC), TPC를 둘러싸는 트리거 섬광검출기 등을 주도적으로 개발해왔습니다. 홍 센터장은 “LAMPS 중성자 검출기의 시간·위치·에너지 분해능은 세계 최고”라며 “중성자 검출기의 신호형태를 이용하여 다중 중성자 사건 분석법을 개발 중인데 이 또한 세계 최초”라고 설명합니다.

연구센터가 주력하고 있는 것은 비단 연구 인프라 뿐만이 아닙니다. 국내 유일의 핵물리 전문 연구그룹인 만큼 국내 핵물리학계 전반의 연구 문화를 일신하는 것도 중요한 임무 가운데 하나입니다. 연구센터는 현재 중이온가속기구축사업단, 기초과학연구원(IBS)의 라온활용협력센터와 희귀핵 연구단, 중이온가속기이용자협회 등과의 긴밀한 협력을 통해 효율적인 공동연구 모델을 구축하는 데도 열심입니다. 국내 핵물리학계 전체가 자율적이고 탄력적인 주제별 공동연구를 통해 동반성장할 수 있도록 하려는 것이지요. 이를 위해 연구센터 참여 연구원뿐만 아니라 이론과 실험에 이르는 국내 관련 연구자 전반이 함께 참여하는 연구회들을 조직하며 소통과 개방성을 높이려는 노력을 이어가고 있습니다.

홍 센터장은 “이러한 노력들이 계속해서 뒷받침 된다면 앞으로는 연구센터를 중심으로 국내뿐만 아니라 다양한 국제공동연구 실험 그룹이 형성될 것”이라며 “한국의 젊은 연구자들이 국제 가속기 연구의 주역이 되고 우리나라에서 개발된 이론을 바탕으로 실험을 설계해 세계적인 연구성과를 탄생시키는 꿈같은 날이 그리 멀지 않았다”고 힘주어 말했는데요. 대한민국 기초과학의 상징이 될 중이온가속기 라온과 극한 핵물질 연구센터. 이들의 가속과 충돌이 만들어낼 ‘과학강국 코리아’의 즐거운 미래에 벌써부터 가슴이 두근거립니다.

한편 한국연구재단은 창의성과 탁월성을 보유한 우수 연구집단 발굴과 세계적 수준의 경쟁력을 갖춘 핵심연구 분야 육성, 집단연구를 통한 차세대 인재 양성과 젊은 과학자들을 위한 양질의 일자리 제공을 위해 이학(SRC)·공학(ERC)·기초의과학(MRC)·융합(CRC)·지역특화(RLRC) 등 5개 분야에 걸쳐 선도연구센터를 선정·지원하고 있습니다.