8일 광주과학기술원(GIST)에서 김경택 상대론적 레이저과학 연구단장이 레이저 펄스로 전자를 가속하는 원리에 대해 설명하고 있다. 광주=이병구 기자 2bottle9@donga.com

'블랙홀이나 중성자별에서 일어나는 빛과 물질의 극단적 상호작용은 관측에 의존할 수밖에 없었습니다. 강력한 레이저 실험으로 지구에서 통제할 수 있는 '우주 현상'을 만들어 우주의 비밀을 파헤칠 것입니다.'

지난 12월 16일 출범한 기초과학연구원(IBS) '상대론적 레이저과학 연구단' 신임 단장을 맡은 김경택 광주과학기술원(GIST) 물리광과학과 교수는 최근 GIST에서 진행한 인터뷰에서 '우리가 자연에 대해 잘 아는 것 같지만 사실 모르는 것이 많다'며 '인류가 가진 지식을 확장하는 것이 목적'이라고 말했다.

빛과 물질의 상호작용은 늘상 일어나는 일이다. 하지만 빛과 물질의 에너지가 매우 강력할 때 일어나는 '양자전기역학(QED, Quantum Electrodynamics)' 현상은 대부분 이론적으로만 예측됐을 뿐 실제로 어떤 양상을 보이는지 실험적으로 밝혀지지 않았다. QED는 고전 전자기학과 양자역학을 결합한 현대 물리학 이론이다. 

먼 우주의 블랙홀이나 중성자별 근처에서는 중력과 전자기장의 세기가 매우 강하다. 이런 환경에서는 아인슈타인의 '특수상대성 이론'에 따라 물질이 빛의 속도에 가까워지면서 질량이 무거워지고 시간이 천천히 흐르고 길이가 수축하는 등 '상대론적 현상'이 일어나며 QED 이론에 따른 물리 현상들이 발생할 것으로 예상된다.

김 단장은 '충분히 강한 에너지에 도달하면 아무것도 없는 진공에서 전자와 양전자(전자의 반물질)가 생겨날 수 있다'고 말했다. 이어 '우주에서 일어나는 QED 현상을 실험으로 파악하려면 변수를 조절할 수 있어야 하는데 지구상에서 그렇게 할 수 있는 방법은 강력한 레이저를 쓰는 것'이라고 설명했다. 전자(물질)를 빠르게 가속하고 반대편에서 레이저 펄스(짧은 파동)를 쏴 충돌시키는 원리다.

레이저 세기 향상(Y축)에 따른 연구 계획. '슈빙거 한계'로 알려진 제곱센티미터당 10^29W 에너지 수준에 도달하는 것이 1차 목표다. 김경택 교수 제공

진공에서 전자와 양전자가 생겨날 것으로 예상되는 '슈빙거 한계(Schwinger limit)'라는 이론적 기준도 있다. 이때 필요한 레이저의 세기(intensity)는 제곱센티미터(㎠) 당 10^29W(와트, 에너지의 단위)에 달한다. 단순히 레이저 출력만 높여서는 지구에서 이정도 수준에 도달하는 것이 불가능하다.

슈빙거 한계에 도달하려면 전자와 레이저 펄스가 충돌하는 순간에 에너지를 집중하는 것이 관건이다. 이를 위해 최대한 짧은 시간에 레이저 펄스를 쏴 레이저의 에너지를 높이고 전자의 속도를 빛의 속도에 가깝게 구현해 레이저와 전자가 더 강하게 부딪치게 해야 한다. 서로 맞은편에서 다가오는 물체가 더 세게 충돌하는 것과 비슷하다. 전자가 닿는 좁은 면적에 레이저를 집속하는 것도 중요하다.

전자의 속도를 빛에 속도에 가까운 상대론적 수준으로 가속하고 이를 강력한 레이저 펄스와 충돌시키면 순간적인 에너지가 매우 커져 블랙홀이나 중성자별 주변에서 일어나는 QED 현상을 일으킬 정도로 강력한 상호작용이 일어난다. 연구단 이름이 '상대론적 레이저과학 연구단'인 이유다.

김 단장은 '지난해 과학자들은 에너지 세기가 슈빙거 한계의 46%인 6x10^28W/㎠ 수준까지 도달했다'며 '더 올라가면 슈빙거 한계 이후의 '강력장(Strongfield) QED' 현상이 보일 것'이라고 말했다. 이어 '아토초(as, 100경분의 1초) 수준의 짧은 펄스를 구현하고 전자를 지금보다 빠르게 가속하면 충돌실험으로 슈빙거 한계의 10배까지 도달할 수 있을 것으로 예상한다'고 밝혔다.

김 단장은 2014년부터 GIST에서 교수로 재직하며 2023년까지 남창희 GIST 교수가 이끈 IBS 초강력 레이저과학연구단의 부연구단장직을 수행했다. 이전 연구단이 마무리된 지 1년 만에 새로운 연구단이 시작되는 셈이다. 새 연구단은 먼저 아토초 레이저 펄스를 구현하고 전자를 더 빠른 속도로 가속하는 등 기반을 다진 뒤 충돌실험을 진행할 계획이다.

연구단은 GIST 고등광기술연구소와 물리광과학과 소속 교수, 대학원생들과 IBS 자체 연구원들을 모두 합쳐 70명 정도로 꾸려진다. 김 단장은 '아직 사무실 정리도 다 못했고 연구원 고용을 진행하는 단계'라며 '곧 좋은 결과를 내서 보여드릴 수 있으면 좋겠다'고 밝혔다.

다음은 김 단장과의 일문일답.

Q. 레이저 성능이 매우 중요할 것 같다. 현재 장비 수준은 다른 나라와 비교해 어느 정도 수준인가.

'레이저 시설은 이미 최고 수준이라고 볼 수 있다. 지금 장비는 2016년에 구현된 4PW(페타와트, 1PW는 1000조 W)급 레이저로 세계 기록이다. PW급 레이저는 전세계에 흔치 않은데 중국에서 12.9PW급 레이저를 거의 완공해 곧 기록이 깨질 예정이다. 유럽에서는 루마니아, 체코, 헝가리 등 동유럽에 조단위 예산이 투입된 레이저 연구시설을 짓고 있다. 미국은 레이저를 핵융합에 쓰는 방향이라 오히려 이쪽 분야에서는 약한 편이다.

더 앞서기 위해 장비를 새로 지어야 하냐고 하면 좀 어렵다고 생각한다. 중국은 우리보다 예산이 100배 더 많다. 현실적으로 한국에서 그게 될 것 같지는 않다. 숫자 경쟁을 할 수도 없고 할 때도 아니다. (장비가) 너무 차이가 나지는 않게끔 하면서 안정성 확보 등 질적인 부분을 개선해야 한다.'

GIST 극초단광양자빔특수연구동에 설치된 4PW(페타와트)급 레이저 장비. 김경택 교수 제공

Q. 전자는 어떻게 가속하며 입자가속기와는 무엇이 다른가.

'4PW를 쪼개서 전자 가속과 충돌시킬 레이저에 나눠서 사용한다고 보면 된다. 전자는 우리말로 '항적장가속(LWFA, Laser WakeField Acceleration)'이라는 원리로 가속한다. 쉽게 설명하면 레이저 펄스 바로 뒤에서 전자가 마치 수상 레저스포츠인 웨이크보드(Wakeboard)를 타듯이 따라가며 가속되는 원리다. 입자가속기도 충돌실험을 할 수 있지만 레이저 장치가 충돌을 제어하기에 훨씬 용이하다.'

전자가 레이저 펄스 뒤에서 수상 레저스포츠인 웨이크보드(Wakeboard)를 타듯 가속되는 항적장가속(LWFA) 원리. 김경택 교수 제공

Q. 앞으로의 연구 계획을 소개해 달라.

'우선 아토초 펄스를 구현해야 한다. 그다음 전자를 더 높은 에너지로 가속할 예정이다. 전자의 에너지를 기존 3GeV(기가일렉트론볼트)에서 10GeV 수준으로 올리려고 한다.

또 실험할 때 가장 중요한 것은 안정성이다. 장비가 크고 레이저 출력도 강하다 보니 일정한 결과를 내기 쉽지 않다. 전체 시스템 안정성을 개선하는 일도 굉장히 중요하다. 여기까지가 우선적으로 해야 하는 일이고 이후 실제 충돌실험을 진행하며 충돌 현상 관측(detect)을 시도한다. 방법 자체는 이미 이론적으로 거의 다 나와 있다.'

Q. 이번 연구가 산업에도 영향을 미칠 수 있나.

'기초과학을 잘해서 어떤 산업이 커지면 그건 이미 기초과학이 아니다. 하지만 부수적으로 나오는 것들이 있다. 우리가 하는 연구 자체는 물리학의 발전, 인류가 가진 지식을 확장하는 목적이지만 실험을 하다 보면 늘 기술적 한계점에 부딪친다. 이를 해결하다 보면 레이저 기술이 발전해 국방이나 산업에 영향을 준다. 또 전자를 가속할 때 X선이 나오는데 이를 산업에서 활용할 수도 있는 식으로 파급효과를 낸다.'

Q. 예산은 충분한 수준인가.

'조금 안타까운 얘기지만 지금 예산으로 원하는 수준의 레이저 업그레이드는 어렵다. 현재 장비를 가지고 실험을 수행할 정도의 예산이다. 출력을 4PW에서 6PW로 높이려고 하는데 예산을 확보할 방법을 찾고 있다.'

Q. 해외 연구그룹과의 협력도 진행하는지 궁금하다.

'프랑스 등 해외 연구팀과 서로 실험과 분석을 나누어 하는 등의 협력을 진행하기도 한다. 대형 레이저 연구시설인 체코 일라이(ELI) 연구소와도 좋은 관계에 있다. GIST에 있는 레이저 시설은 독점적으로 쓰고 있지만 연구 협력에 있어서는 열려 있다고 보면 된다.'