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거대강입자가속기(LHC)를 이용해 발견한 ‘신의 입자’ 힉스가 노벨상을 받으면서 ‘입자가속기’도 덩달아 주목받고 있다(특집 3파트 참조). 현재의 입자가속기는 가속관 안에 전기장을 만든 뒤, 전하를 가진 입자를 밀고 끌어 입자를 가속한다. 그런데 최근 레이저에 입자를 실어 높은 에너지로 가속하는 새로운 입자가속기가 개발돼 관심을 끌고 있다. 국내 연구진이 연구를 선도하고 있어 의미가 더 크다.

김형택 지스트(GIST) 고등광기술연구소 선임연구원과 이종민 교수팀은 강력한 레이저 파장(펄스)에 전자를 넣은 뒤 가속하는 방식으로, 레이저 방식으로는 세계 최고 수준인 3GeV의 출력을 얻는 데 성공했다.

김 연구원팀은 가정용 LED 전구 1000억 개에 해당하는 1페타와트(PW)급 출력의 초강력 레이저 기술을 이용했다. 먼저 레이저 빔에 수직방향으로 헬륨 기체를 분출해 빔 안에 4mm 크기의 기체 뭉치(제트)를 만들었다. 여기에서는 400MeV(백만전자볼트)의 에너지를 갖는 전자 다발이 만들어졌다. 이 전자는 곧바로 뒤에 있는 10mm의 또다른 헬륨 제트 안에 들어갔고, 레이저가 만드는 규칙적인 펄스에 실린 채 빠르게 가속됐다. 김 연구원은 “큰 배가 지나간 자리에는 파도가 생겨서 뒤에서 서핑을 즐길 수 있는 것과 같은 원리”라고 말했다.

김 연구원은 이어 “레이저 방식의 장점은 소형으로, 방 안에서 고출력의 전자 가속이 가능하다”며 “(LHC보다 수백 배 강력한 수준인) 수PeV급의 가속기도 만들 수 있다”고 말했다. 다만 방식의 차이로 아직 중이온 가속은 불가능한 게 흠이다. 이 연구 결과는 11월 27일 기초과학연구원(IBS) 연구 컨퍼런스에서 발표됐다.