우주의 비밀을 푸는 마법 기계

이 같은 설명을 들은 후 곧바로 현장 투어가 시작됐다. 커다란 모니터들로 가득 차 마치 미 항공우주국(NASA)의 우주선 발사 관제센터를 연상케 하는 중앙제어센터를 본 후 헬륨냉각시설인 '극저온설비동'에 도착했다. 이곳에선 가속기 냉각에 사용되는 액체 헬륨이 만들어지고 있었다. 기체인 헬륨을 여러 차례 압축·팽창하는 것을 반복하면서 온도를 낮춰 절대 온도 4K 상태의 액체로 변화시키는 시설이다. 복잡한 기계 장치와 특수 소재, 운용 기술이 필요해 해외에서 수입됐으며, 우리나라에선 가장 큰 규모다. 만약에 헬륨 가스가 누출되기라도 하면 인명 사고가 날 우려도 있어 벽마다 감지 및 경보 장치가 부착된 것이 인상적이었다.

헬륨 냉각 시설을 떠나 도착한 곳은 지하에 위치한 고주파 전력 발생 시설이었다. 라온의 주 가속 소재인 우라늄 이온을 가속하기 위해선 강한 마이크로빔으로 전자를 쏴줘야 한다. 이때 전자에 맞아 이탈한 우라늄 이온에 1초에 약 8000만번가량 +, -를 오가는 강력한 고주파(325MHZ)를 걸어 주기 위한 전력을 만드는 곳이다. 어렵게 들리지만 마치 자기부상열차의 원리와 비슷하다. 본체에 N극을 걸어 놓고 빠른 속도로 그 바로 앞의 레일에 S극을 순차적으로 계속 걸어 주면 기차가 시속 수백km로 가속하는 것과 같다.

이후 본격적으로 이온이 움직이는 가속기 시설을 볼 수 있었다. 현재 저에너지 구간의 54개 가속기만 설치돼 있었다. 지난 10월7일 이 저에너지 구간 가속기 중 초반 5대의 가동에 성공해 초속 3만㎞까지 아르곤 이온을 가속할 수 있었다고 한다. 최대 빛의 속도의 절반, 즉 초속 15만㎞까지 가속하는 것이 라온의 최종 목표다. IBS는 내년까지 한 두 차례 더 시범 운영을 해본 뒤 하반기부터는 본격적으로 빔 인출에 들어가 각종 연구에 활용할 예정이다. 권면 IBS 중이온가속기 사업단장은 "현재 연구 목록을 작성 중이며, 국내뿐만 아니라 세계적으로도 관심을 많이 받아 이런저런 제안이 들어 오고 있다"면서 "반도체 설계와 검사, 제작 과정에서도 빔을 활용해 초미세 정밀 반도체의 수율 및 품질 개선에 도움을 줄 수 있어 관련 업체들이 많은 관심을 갖고 있는 것으로 안다"고 설명했다.

중이온가속기 라온 전경.

라온은 일종의 거대한 초정밀 관측 장비다. 100만분의1 나노미터 이하, 즉 펨토미터(fm) 크기인 원자, 중성자, 양성자의 세계를 탐구할 수 있다. 이온을 가속시킨 후 충돌, 분열시키고 걸러내면서 다양한 원자핵을 만들 수 있고, 특성을 확인하는 장치다. 특히 우주대폭발(빅뱅) 3분 후의 상태를 재현할 수 있다. 우라늄 등을 이온화한 입자를 초속 15만㎞까지 가속해 표적 물질에 충돌시킨 후 이를 관찰하는 ‘되튐분광장치(KoBRA)’라는 시설을 통해 초기 우주 물질 생성의 비밀을 엿본다. 또 라온은 세계 최초로 ‘온라인동위원소분리장치(ISOL)’와 ‘비행파쇄동위원소분리장치(IF)’를 동시에 구축, 희귀동위원소 발견에도 기대를 모으고 있다.

남은 과제도 있다. 당초 계획했지만 기술적 문제로 미뤄진 고에너지 구간 건설을 통해 시설을 완공해야 생명 현상 연구나 뮤온 물질의 구조. 자성체, 소재 개발 등을 연구할 수 있다. 이 단장은 "고에너지 가속관 구간도 설계 및 시제품까지 만들었지만 충분한 성능을 확보하기 위한 정밀도·후처리 등 엔지니어링 분야에서 경험이 부족했고 시행착오가 있었다"면서 "이를 극복하기 위해 내년부터 선행 연구개발(R&D)에 들어가며, 이르면 2025년 이전에 설계를 마치고 구축에 들어갈 예정"이라고 밝혔다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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