3'10" 읽기
- 플라즈마 가속기는 단 10cm 거리에서 10GeV(기가전자볼트)에 도달
- 정확한 메커니즘은 아직 불명확

미니 플라즈마 가속기, 새로운 에너지 기록 달성
플라즈마 가속기는 단 10cm 거리에서 10GeV(기가전자볼트)에 도달

길이가 10cm에 불과한 입자 가속기가 처음으로 전자를 10GeV 에너지로 가속했다. 이는 새로운 기록이다. 이는 페타와트 레이저로 구동되는 플라즈마 웨이크 가속기에 새로운 추가 기능이 추가되었기 때문에 가능했다. 즉, 가속기 챔버의 헬륨 가스에 알루미늄 나노입자가 풍부해졌다. 물리학자들이 보고한 것처럼 이는 가스의 전하 밀도를 증가시켜 가속도를 증가시킨다. 

▲ 헬륨 가스와 알루미늄 나노입자로 채워진 이 챔버는 새로운 플라즈마 웨이크 가속기의 핵심이다. © Bjorn Manuel Hegelich/ University of Texas at Austin

지금까지 입자 가속기는 일반적으로 길이가 킬로미터에 달하는 시설이었지만 다른 방법이 있다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 최대 테이블 크기, 심지어 훨씬 더 작은 전자용 소형 가속기를 개발했다. 이러한 플라즈마 가속기의 대부분은 웨이크필드 또는 웨이크필드 기술을 사용한다. 강력한 레이저 펄스가 기체 플라즈마가 포함된 챔버를 통해 발사된다. 이는 플라즈마의 전자를 끌어들이고 가속시키는 후류 모양의 전기장을 생성한다.

장점:
이러한 플라즈마 가속기는 기존의 대규모 시스템보다 상당히 가파른 가속 기울기를 생성한다. 이는 전자를 기가전자볼트 범위로 가속하는 데 몇 센티미터의 거리면 충분하다는 것을 의미한다. 플라즈마 웨이크 가속기의 이전 기록은 20cm당 8GeV였다.

헬륨 가스 및 알루미늄 나노입자

이제 오스틴에 있는 텍사스 대학의 Constantin Aniculaesei가 이끄는 팀이 이 기록을 깨뜨렸다. 그들은 10센티미터 길이 챔버에서 전자를 최대 10기가전자볼트의 에너지까지 가속할 수 있는 레이저 가속기를 개발했다. 이는 헬륨 가스로 만든 플라즈마 외에도 특수 나노 입자도 전자 공급 장치 역할을 하는 시스템에 중요한 추가 기능을 통해 가능해졌다.

▲ 후류파 원리에 기초한 나노입자 플라즈마 가속기의 구조: 가속기 레이저(TPW)가 입자 혼합물을 이온화하고 가속 후류파를 생성하기 전에 절제 레이저는 알루미늄 판에서 나노입자를 방출한다. © University of Texas at Austin

이를 위해 가스로 채워진 약 10cm 길이의 가속기 챔버에는 실제 가속 단계 직전에 보조 레이저로 조명되는 작은 알루미늄판이 포함돼 있다. 이는 헬륨과 혼합되는 알루미늄 나노입자를 방출한다. 이 혼합물에 페타와트(PW=1000테라와트) 가속기 레이저의 135FS(femto second 펨토초) 짧은 펄스가 조사되면 헬륨이 플라즈마로 변환되고 알루미늄 나노입자도 이온화된다.

10cm당 10GeV

"나노입자는 정확한 시간과 장소에 전자를 방출한다"고 텍사스 대학의 수석 저자인 Bjorn Manuel Hegelich가 설명했다. "이것은 우리가 필요할 때 정확히 더 많은 전자를 후류로 가져올 수 있게 해준다. 이것이 우리의 비밀 소스다." 실제로 이론적 모델은 이러한 나노입자가 후류로 추가 전자를 가져와 전하 밀도를 증가시킬 수 있음을 시사한다. 이는 가속을 더욱 효과적으로 만든다.

이 플라즈마 가속기의 테스트에서 물리학자들은 나노입자 없이 제어 실행에서 단지 약 2GeV의 에너지를 달성했다. 그러나 알루미늄 나노입자를 사용하면 에너지가 크게 증가했다. Aniculaesei와 그의 팀이 보고한 대로 미니 가속기는 전자를 불과 10cm의 거리에 걸쳐 10GeV까지 끌어올렸다.

정확한 메커니즘은 아직 불명확

소형 플라즈마 가속기는 새로운 세계 기록을 세웠다. 실제로 미국에는 이러한 전자 에너지를 얻을 수 있는 입자 가속기가 두 개밖에 없으며, 연구자들이 설명하는 대로 둘 다 길이가 3km 이상이다. 그들은 이미 나노입자 플라즈마 가속기에 대한 특허를 출원했다. 그러나 나노입자가 어떻게 이러한 높은 에너지를 가능하게 하는지는 아직 명확하지 않다.

Aniculaesei와 그의 동료들은 “우리는 현재 그러한 높은 전자 에너지를 생성하는 데 대한 만족스러운 이론적 모델이나 실험적 설명이 없다”고 썼다. “우리는 현재 몇 가지 이론적 시나리오를 조사하고 있다.” 동시에 팀은 이미 플라즈마 가속기에 필요한 고성능 레이저를 소형화하는 작업을 진행하고 있다. 그러면 전체 시스템이 더욱 컴팩트해진다.
(Matter and Radiation at Extremes, 2023; doi: 10.1063/5.0161687)
출처: University of Texas at Austin

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]