기초과학

베이징 전자-양전자 충돌기, 참물리 분야에서 30년간 세계 선도해

발행일 : 2019 / 05 / 23

중국 베이징 전자-양전자 충돌기(BEPC)는 배드민턴채 모양이며 동 BEPC는 길이가 202m인 직선가속기 1대, 총길이가 200m인 빔트랜스퍼라인(beam transfer line) 1세트, 둘레길이가 240m인 저장링가속기 1대, 높이가 6m, 무게가 700t인 대형 검출기 “베이징 스펙트로미터(Beijing spectrometer, BES)” 하나, 싱크로트론 방사 실험장치 14대 등으로 구성되었다.

세계 최고 권위 입자 데이터 테이블에서 베이징 스펙트로미터로 측정한 데이터가 1,000개를 초과한다. 여기서 1개당 데이터는 하나의 성과를 대표한다. 특히 참물리(charm physics) 분야의 대부분 정밀 측정은 베이징 스펙트로미터 협력팀이 완성했다고 해도 과언이 아니다. 이렇듯 BEPC는 참물리 분야에서 30년간 세계를 선도했다.

BEPC는 두 가지 과학용도가 있는데 하나는 고에너지 물리실험 즉, 베이징 스펙트로미터 실험이고 다른 하나는 싱크로트론 방사 응용연구 즉, 충돌시 발생하는 싱크로트론 방사광을 이용한 여러 학과분야 연구이다. BEPC는 매년 약 500차례 실험을 수행하고 있다.

과학계는 입자를 충돌시키는 방법으로 입자를 쪼개여 그 속에 무엇이 들어있는지를 탐구해 왔다. 충돌속도가 빠를수록 더 작은 쪼각을 얻을 수 있으므로 새 발견의 가능성이 높아진다. 초고에너지 연구시 반드시 2개 빔을 충돌시켜야 하지만 충분히 높은 충돌밝기를 얻기 위해서는 많은 입자, 작은 단면적, 높은 빈도수를 갖춘 빔을 충돌시켜야 하기에 어려움이 더 크다.

BEPC는 1988년 10월 16일에 충돌실험에 성공했다. 2004년 개선 전의 충돌기는 한 쌍의 빔다발로 초당 100만 회 충돌시켰지만 2008년에 이중 링 구조로 개선 후 약 100개 빔다발에 초당 1억 회 충돌 능력을 갖추었다. 아울러 기타 성능도 제고되어 밝기가 전에 비해 100배 향상되었다.

입자물리 분야의 고에너지, 고강도, 우주학 등 3개 선도 영역에서 BEPC는 고강도 영역에 속하고 나머지 2개 선도 영역은 각각 대형강입자충돌기(LHC), 국제선형충돌기(ILC), 미래원형충돌기(CEPC와 FCC) 등과 고산우주선, 우주탐사기, 망원경 등이 담당한다.

최근 베이징 스펙트로미터Ⅲ(Beijing Spectrometer III, BESIII) 협력팀은 전자-양전자 충돌에서 람다 하이퍼론(lambda hyperon)의 가로편극(transverse polarization)을 발견했다. 협력팀은 2009년과 2012년에 수집한 13억 차모니움(charmonium) 데이터를 이용해 순도가 높고 품질이 좋은 42만 개 사례를 선별했다. 해당 사례에서 발생된 람다 하이퍼론의 25%에 가로편극이 존재함을 발견했다. 해당 성과는 “Nature Physics”에 게재되었다.

전세계 14개 국가 64개 연구기관의 400여 명 과학자들은 매일 세계 각지에서 BEPC의 양전자 흐름 세기를 표시하는 빨강선과 음전자 흐름 세기를 표시하는 파랑선을 통해 BEPC에서 일어나는 충돌을 실시간으로 모니터링할 수 있다.

베이징 스펙트로미터 협력팀은 1989년에 실험을 시작해서 30여 년간 중국 주도의 협력규범을 제정하는 등 소중한 경험을 쌓았을 뿐만 아니라 후속 연구자들에 시범을 보여주었다. BEPC는 향후 10년 이상 강세를 유지할 것으로 전망된다. 향후 가벼운 강입자(light hadron) 스펙트럼 및 새 하드론상태(hadron state) 등 실험을 지속적으로 진행할 계획이며 실험 결과에 근거해 성능 개선 여부를 결정할 방침이다.

이외, 원형 전자-양성자 충돌기(CEPC) 구축 관련 논쟁이 지속되고 있는 가운데 2018년 말에 “CEPC개념설계보고서”가 발표되었다. 고강도 선도 영역뿐만 아니라 고에너지 선도 영역에도 하루빨리 진출해야 한다는 것이 중국 과학계의 주장이다.