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중국 과학자의 탁월한 글로벌 역량

발행일 : 2013 / 04 / 10

중국과학자의 기초 및 공학분야 글로벌 역량을 발휘하고 역량을 인정받고 있는 내용을 정리하였다.

1. 샤무엘 틴 교수, AMS 프로젝트의 최신성과 발표

2013년 4월 3일, 노벨물리학자 MIT 공과대학 사뮤엘 틴 교수는 본인이 주도한 대형 입자물리실험인 알파자기분광계(AMS) 프로젝트의 첫 연구성과를 발표했다. 중국 과학자가 이 국제중대과학공정에 동참하여 탁월한 공헌을 했다.

암흑물질과 암흑에너지는 현대 천문학과 물리학의 최대 미스터리로서 우주학 관측과 이론모순 해결을 위해 제시한 것이다. AMS 프로젝트의 첫 번째 목표가 바로 우주의 암흑물질 및 기원을 모색하는 것이다.

2013년 4월 3일 샤무엘 틴 교수는 스위스 제네바 유럽입자물리연구소(CERN) 알파자기분광계(AMS) 프로젝트 사무실에서 기자에게 AMS로 상상을 초월하는 40만개 양전자를 포집했다고 밝혔다. 이에 앞서 미국 페르미 감마선 우주망원경을 포함한 프로젝트를 통해 과다한 양의 양전자 현상을 관측했지만 데이터 오차가 지나치게 컸다. 그러나 AMS의 오차는 1%에 불과한데, 이는 육안과 정밀현미경의 차이에 해당된다.

<물리평론속보> 최신호에 게재된 연구성과에 의하면, 5억-100억 전자볼트 내에서 양전자가 전자와 양전자 총합에서 차지한 비율이 에너지가 증가하면서 감소하고, 100억-2,500억 전자볼트 내에서 비율이 점차 증가하였으며, 2,500억 전자볼트 이상에서 비율 곡선이 평평한 수준을 유지했다. 양전자의 비율을 측정하는 에너지 스펙트럼이 시간의 흐름에 따라 변하지 않았으며, 고에너지 양전자가 우주공간의 특정 방향에서 오는 것은 결코 아니다.

샤무엘 틴 교수는 암흑물질 입자가 충돌하여 붕괴되면서 양전자를 방출하는 것을 확인하려면 양전자 비율이 최대치로 상승한 후 갑자기 내려가는지의 여부를 관측해야 한다고 지적했다. 갑자기 내려가는 현상을 관측했다면 암흑물질 충돌에서 양전자가 방출된다고 볼 수 있다. 천천히 내려갈 경우 펄서에서 양전자가 방출될 수 있다.

샤무엘 틴 교수는 양전자의 유래를 최종적으로 확인하려면 앞으로 일정한 시일이 더 걸려야 한다고 했다. 그는 현재 수집한 데이터는 AMS가 수집해야 할 데이터의 10%로서 많은 미스터리가 과학자들의 심층 탐사를 기대하고 있다고 덧붙였다.

2. AMS에 강한 ‘중국의 심장’인 거대 영구자석 장착

AMS 프로젝트의 수석과학자 중 한 사람인 천허성(陈和生) 중국과학원 고에너지물리연구소 전 소장의 소개에 의하면, 우주를 구성하는 물질 가운데 현재 우리가 알고 있는 것은 4%에 불과하고 암흑물질은 우리가 알고 있는 물질의 거의 6배이지만 과학자들은 그 존재의 증거를 발견하지 못했다.

2011년 5월 16일, 미국의 우주왕복선 인데버호(Endeavour)가 마지막 임무를 맡고 ‘알파자기분광계(AMS)-2’를 국제우주정거장으로 발송했는데, 주요임무가 바로 우주의 암흑물질을 모색하는 것이다.

암흑물질이 충돌하면 양전자를 생성하며, 이들 양전자는 AMS로 측정할 수 있다. AMS로 발견한 40만 개 이상의 양전자는 인류가 그동안 찾고 있던 암흑물질에서 올 수도 있고, 은하계의 펄서 등 천체에서 올 수도 있다. 이로써 암흑물질 존재의 신빙성 증거 모색을 위해 한 단계 진전하였다.

AMS에는 강한 ‘중국의 심장’인 거대한 영구자석을 장착하였다. 이 영구자석은 중국과학원 전기공학연구소와 고에너지물리연구소, 중국로켓기술연구원이 공동 설계 및 연구개발했으며, 입자가 양전하를 갖는지 아니면 음전하를 띠는지를 구분하는데 사용되고, AMS의 핵심부품이다.

대형 자석을 우주로 발송하는 것은 AMS 프로젝트의 최대 도전 중 하나이다. 중국 과학자는 신형 고자기력 Nd-Fe-B(네오디움-철-붕소)재료를 선정하고 독특한 자기 회로 설계방식을 채택했다. 자석은 실험요구에 부합되었고, AMS의 사용수명을 18-20년으로 연장할 수 있었다. 이 자석은 미국 항공우주국(NASA)의 엄격한 심사에 순조롭게 통과되었다.

한편 탐측기의 핵심부분인 전자기 열량계는 중국과학원 고에너지물리연구소와 중국로켓기술연구원의 과학자가 이탈리아 및 프랑스의 과학자와 공동 연구개발했다. 이 전자기 열량계는 전자와 양전자의 에너지를 정확하게 측정할 수 있다.

중국 과학자는 또한 실험데이터 분석과 물리연구 분야에 참여했다. AMS의 데이터 분석은 두 개 팀으로 나뉘어 진행되며, 팀마다 많은 국가의 과학자가 개입해 나중에 의견의 일치를 가져와 결과의 정확성을 확보한다. 중국 과학자의 데이터 분석은 전하의 측정, 입자의 식별, 전자 에너지 측정에서 중요한 일익을 담당한다.

천허성 소장은 암흑물질 존재의 정확한 증거를 얻으려면 더욱 많은 데이터를 축적해야 한다고 밝혔다. 중국 과학자는 그동안 줄곧 제네바에 위치한 유럽입자물리연구소(CERN)의 AMS운영센터에서 책임을 맡았으며, 또한 데이터분석과 물리연구를 지속해왔다. 최종결과를 도출하려면 수 년이 걸릴 수도 있지만 이 결과가 물리학 발전에서 중요한 의미를 가진다는 것은 의심할 바 없다.

3. 중국과학원, AMS 에너지 스펙트럼 연구 중

중국과학원 고에너지물리연구소는 알파자기분광계(AMS)의 두 가지 에너지 스펙트럼을 연구 중이다. 하나는 전자의 에너지 스펙트럼을 측정하는 것이고, 다른 하나는 전자와 양전자의 에너지 스펙트럼을 동시에 측정하는 것이다. 주된 목적은 양전자가 도대체 암흑물질에서 오는지 아니면 펄서에서 오는지를 검증하는 것이다. 이는 중국과학원 고에너지물리연구소의 천궈밍(陈国明) 연구원이 2013년 4월 7일 기자에게 밝힌 내용이다.

AMS 프로젝트 연구에 동참한 천궈밍 연구원은 AMS가 18개월 동안의 우주운행을 거쳐 250억개의 초급 우주선(線)을 획득했다고 소개했다. AMS협력팀은 이들 데이터를 분석한 후, 680만개의 에너지 수준에서 5억-3,500억 전자볼트 사이의 전자 및 반물질인 양전자를 확인했다. 과학자들이 확인한 40만개 이상의 양전자는 예상한 것보다 훨씬 많았다.

양전자의 존재를 확인하는 것은 아주 중요하며, 알파자기분광계는 우주에서 지속적으로 운행하면서 더욱 많은 우주선(線)을 획득할 예정이다. 축적 데이터가 많아질수록 실험의 정확도가 높이질 수 있다. 물리학의 기본상식에서 보면 전자는 모두 음전하를 띤다. 약한 상호작용에서 오는 소량의 양전자는 파악할 수 있다. 과학자들이 양전자의 대량 존재를 확인했는데, 이는 인류 기존의 지식범주를 초월했으며, 물리학의 표준모델에 전무한 것이다. 따라서 신규 물리학 모델로 양전자의 존재(암흑물질의 존재)를 파악하는 것은 어쩌면 물리학 및 인류 지식의 획기적인 성과일지도 모른다.

현재 과학자들은 새롭게 발견된 양전자들이 확실히 암흑물질에서 유래한 것인지를 확인할 수 없다. 왜냐하면 일부 펄서도 지구에 양전자를 가져올 수 있기 때문이다. 따라서 입자물리학자, 특히 이론물리학자들이 양전자의 유래를 연구하고 정확히 설명해야 한다. 일반적으로 펄서에서 오는 양전자가 한 방향에서 와야 하지만 현재 AMS로 측정한 양전자는 등방성이다. 이 관점은 펄서 기원설에 대해 불리하다. 그러나 일부 과학자들은 지구와 멀리 떨어져있는 펄서가 방출하는 양전자가 복잡한 자기장의 편향 및 성간물질의 상호작용을 거쳐 역시 등방성으로 변한다고 인정했다.

중국 과학자는 AMS 프로젝트의 설비 및 물리방법에서 중요한 기여를 했다. 중국과학원 고에너지물리연구소는 앞으로 붕소와 탄소의 비율과 관련해 연구하여 약한 상호작용으로 생성되는 양전자가 구경 얼마인지를 확인할 예정이다.

4. 중국항천과기집단공사가 없이는 AMS 프로젝트도 없어

2013년 2월 하순에 폐막한 미국과학진흥회(AAAS) 연례회의에서 알파자기분광계(AMS) 프로젝트의 수석과학자인 사뮤엘 틴 교수 연구팀이 알파자기분광계가 약한 상호작용을 하는 윔프(WIMP)의 존재 증거를 발견했는데, 이 입자가 암흑물질의 후보라고 밝혔다.

어쩌면 물리학에서 중대 변혁이 일어나 인간의 인식이 바뀔지도 모른다. 여기에 중국항천과기집단공사의 공헌이 크다.

사뮤엘 틴 교수는 언론 취재 시 “중국의 우주, 중국항천과기집단공사 산하기관 중국로켓기술연구원(제1연구원)의 뛰어난 공헌이 없이는 AMS 프로젝트도 없다!”라고 명확히 입장을 밝혔다. 1990년대의 다자간 협력사안 상담에서 시작해 2011년 5월 AMS가 정식 국제우주정거장(ISS)에 탑재되어 탐사임무를 전개하고, 또 최근 암흑물질의 존재 증거를 발견하기까지의 오랜 기간 중국항천과기집단공사가 AMS 프로젝트에 공을 들였다.

알파자기분광계(AMS)라는 탐지기는 핵심이 자석이며, 이 자석이 중국인에 의해 제작됐다고 제1연구원에서 AMS 프로젝트에 종사한 리창마오(李昌懋) 책임자가 소개했다.

리창마오 책임자의 말대로 AMS 프로젝트의 대표적인 성과 두 개를 선정하라면 하나는 자석의 주요 구조재이고 다른 하나는 영구자석이다. 제1연구원은 AMS 프로젝트를 위해 자석의 주요 구조재 3개를 제작하고, 또 영구자석 주요 구조재의 설계, 연구개발, 시험사업을 담당했다.

자석의 주요 구조재 3개 가운데 하나는 지상 시험부품으로서 복잡한 많은 지상 시험검증에 활용된다. 또 하나는 비행부품으로서 1998년 미국 디스커버리호 우주왕복선에 탑재되어 국제우주정거장에 10일간 체류한 후, 2011년 5월 재차 인데버호(Endeavour)에 실려 국제우주정거장에 상주하여 암흑물질의 모색에 나섰다. 다른 하나는 파괴성 시험에 응용된다.

AMS 프로젝트의 관건은 테이블 크기의 자석을 우주로 보내는 것이지만 과학적으로나 공정상에서 현재까지 장기간 남아있는 문제이다. 왜냐하면 대형 자석은 자기누설(magnetic flux leakage) 현상이 있어 우주선 비행과 다른 계측기의 정상작동을 크게 방해할 수 있기 때문이다. 한편 대형 자석의 자기 다이오드 모멘트 문제로 인해 자기분광계가 지구 자기마당의 작용에서 회전할 수 있어 효과적으로 작동할 수 없다. 바로 이런 이유로 사뮤엘 틴 교수는 AMS 프로젝트가 본인의 40년간 연구에서 난이도가 최대인 실험대상이며, 당시 노벨상 수상작품인 J라는 새로운 소립자(素粒子)를 발견하는 실험보다 어려움이 훨씬 많다고 했다. 사뮤엘 틴 교수가 J라는 새로운 소립자를 발견하는데 2년이 걸렸으나 AMS 프로젝트는 그와 국제 연구팀이 20년간 연구했다.

중국항천과기집단공사는 실력과 품질로 중국제조를 세계 일류수준으로 향상시키려는 결심을 입증해 보였다. 미국 항공우주국(NASA)의 켄 바우어 전문가가 중국 제품을 검수한 후, 상관한테 일류의 우주제품을 설계 및 제조할 수 있는 기관을 찾으려면 중국로켓기술연구원이 적당하다고 하면서 이 기관이 동 임무를 수행할 능력이 있다고 소개했다.

NASA의 AMS 프로젝트 매니저 짐 베이츠가 프로젝트 검수를 마친 후, 제1연구원에 이메일을 발송하고, 두 개의 ‘느낌표’로 동 기관의 제품이 순조롭게 제2단계의 안전심사에 통과되었다고 통보했다. 한편 NASA는 제3단계의 안전심사를 취소하기로 결정했다. 이는 거의 믿을 수 없는 일이다. NASA의 관례대로 모든 대형탑재장비는 3개 단계의 안전심사를 거쳐야 한다. 그러나 제1연구원의 자석 주요 구조재는 우주왕복선의 페이로드로서 두 차례의 심사로 끝났는데, 이는 NASA의 안전심사에서 전무한 사례이다.

중국이 과학기술의 진보와 수준의 향상에 힘입어 세계 첨단탐사분야에 갈수록 많이 참여하고 있으며, 특히 우주분야에서 대체할 수 없는 역할을 발휘하고 있다. 리창마오 책임자의 말대로 아무리 먼 심우주라도 갈수 있는 곳을 생각했다면 그곳으로 보내드릴 것을 약속한다. 중국의 우주업계는 다양한 우주협력임무를 담당할 능력이 있으며 많은 국가와의 협력에 참여하기를 원하고, 다양한 분야 전문가나 학자들과 함께 인류의 중요한 과학실험에 기여하기를 기대한다.

5. 알파자기분광계의 암흑물질 탐사 문답

우주선(線) 흐름에서 양전자 존재의 비율을 측정하는 것은 암흑물질의 존재와 관련한 이론예측에 부합된다는 사실이 실험을 통해 입증되었다. 현재로서는 다른 가능성을 배제할 충분한 근거를 찾지 못했으나 이번 성과를 거둠으로써 암흑물질 존재의 신빙성 증거를 최종적으로 찾기 위해 한걸음 다가갔다.

암흑물질이 무엇이고, 과학자들이 꾸준히 암흑물질의 발자취를 탐구하는 이유가 무엇인지, 볼 수 없는 암흑물질을 포착할 수 있는 방법이 무엇이고, 알파자기분광계 프로젝트가 어떤 과학프로젝트인지를 짚어보자.

질문1: 암흑물질이란?

해답: 암흑물질은 우주에서 보이지 않는 물질이다. 우리들이 볼 수 있는 천체는 태양처럼 빛을 발하거나 달처럼 빛을 반사시킨다. 우주에는 또한 볼 수 없는 물질이 대량 존재하고 있는데, 이들 물질은 가시광선이나 다른 전자파를 방출하지 않아 천체망원경으로 관측할 수 없다. 그러나 이들 물질은 만유인력을 생성할 수 있어 볼 수 있는 물질에 작용한다.

기존 연구와 분석에 의하면, 암흑물질의 우주 중 비중이 인류가 볼 수 있는 물질을 훨씬 초월한다. 우주에서 가장 중요한 성분은 암흑물질과 암흑에너지이며, 암흑물질은 우주의 25%를, 암흑에너지가 70%를 차지한다. 이미 관측된 일반 물질은 우주 질량의 5%에 불과하다.

질문2: 암흑물질을 탐사하는 의미는?

해답: 암흑물질은 우주연구에서 가장 도전적인 과제로 인정받고 있다. 현재 암흑물질의 존재가 널리 받아들여지고 있다. 암흑물질이 우주구조를 형성한다는 인정이다. 암흑물질이 없으면 은하, 항성, 행성을 형성할 수 없고, 더욱이 오늘의 인류를 논할 수 없다. 암흑물질의 존재는 천체관측을 통해 추측해낸 것이지만 현재 널리 인정받고 있는 입자물리학 표준모델이 예언한 62종의 기본입자에는 암흑물질을 해석할 수 있는 기본입자가 포함되지 않는다. 따라서 암흑물질을 탐사해낼 경우 물리학계에 새로운 혁명을 불러일으킬 수 있다.

질문3: 암흑물질의 탐사방법은?

해답: 암흑물질의 탐사방법은 직접 탐사와 간접 탐사의 두 가지 방법으로 주로 구분된다. 소위 직접 탐사방법이란 암흑물질 입자와 원자핵 충돌로 생성되는 광학, 음향학, 전자학의 신호를 직접 탐사하는 것을 말한다. 충돌이 발생할 확률이 아주 작아 생성되는 신호도 미약하기 때문에 흔히 탐사장치를 지하의 깊은 곳에 설치한다. 암흑물질의 간접 탐사방법이란 암흑물질 입자 붕괴나 상호작용 후에 생성되는 양전자, 반양자, 중성미자 등의 안정한 입자를 관측하는 것을 말한다. 지구의 대기 영향으로 지상에서는 입자의 에너지 스펙트럼을 정확하게 측정할 수 없기 때문에 이 실험은 우주에서 해야 한다.

알파자기분광계 프로젝트는 실제상 대형 입자물리실험이다. 주된 목적은 우주의 암흑물질 및 기원을 모색하는 것이다. 암흑물질이 충돌하면 양전자를 생성하는데, 이 양전자의 특징은 알파자기분광계로 정확히 관측할 수 있다.

질문4: 알파자기분광계의 제조방법은?

해답: 알파자기분광계의 주요 구조는 외경이 1.3m, 내경이 1.15m, 높이가 0.8m인 고강도 알루미늄 중공 원주체로 구성되었다. 막대기 모양의 영구자석을 주요 구조에 삽입했으며, 자기장의 강도는 1,400가우스이다. 주요 구조는 중국항천과기집단공사 제1연구원에서 설계했으며, 자석은 중국과학원 전기공학연구소가 제작했는데, 신형 고자기력 Nd-Fe-B(네오디움-철-붕소)재료를 적용했다.

‘알파자기분광계-1’은 1998년 6월에 미국 디스커버리호 우주왕복선에 탑재되어 과학탐사를 개시했으나 반물질과 암흑물질을 발견하지 못했다. 그 후 과학자들은 ‘알파자기분광계-2’의 연구개발에 착수했다. 이들은 초전도자석으로 영구자석을 대체하려 시도했다. 이 방법은 보다 강한 자기장을 생성할 수 있으나 초전도자석은 액체헬륨을 냉각해야 했으며, 우주에서 액체헬륨을 보충할 수 없었다. 이러한 자기분광계의 수명은 3년에 불과하다. 영구자석을 사용한 자기분광계의 수명은 18-20년이다. 따라서 전문가들은 영구자석을 사용하기로 결정했다. 이밖에 알파자기분광계 2는 1보다 신형 서브 탐측기를 추가했다.

질문5: 알파자기분광계의 작동방법은?

해답: 알파자기분광계의 주요기능은 우주에서 돌아다니는 입자를 관측할 수 있는 것이다. 이 기능은 강하고 특수한 자기장을 바탕으로 발휘한다. 대전입자가 자기장에 진입한 후 궤적이 변할 수 있으며, 서로 다른 대전입자의 궤적은 서로 다른 변화가 일어난다. 비대전입자의 궤적은 변하지 않기 때문에 입자가 자기장에 진입한 후 궤적이 변하는지의 여부를 관측할 수 있으며, 변화정도에 따라 어떤 입자라는 것을 짐작할 수 있다. 천체망원경으로 물질이 방출하는 가시광선 및 전자파를 관측하는 방법과는 달리 자기분광계는 입자 자체를 직접 관측한다. 따라서 자기분광계는 천체망원경으로 불가능한 암흑물질 등을 발견할 수 있다.

자료출처:

2013.4.8일자 과기망 http://digitalpaper.stdaily.com/
http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2013-04/05/content_198063.htm?div=-1
2013.3.15일자 중국항천과기집단공사 홈페이지
http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n214/c403727/content.html