거의 빛의 속도까지 가속된 미세한 입자들을 충돌시키고, 그 순간 만들어지는 초강력 빛의 섬광으로 물질의 분자 구조를 들여다보는 연구. 함부르크 바렌펠트에 위치한 DESY 연구 단지에서 벌어지는 이러한 과정은 일반인에게는 쉽게 상상하기 어려운 세계입니다. 1959년 12월 18일에 설립된 이 시설은 가속기 튜브를 비롯한 거대한 인프라를 갖추고 있으며, 현재 세계에서 가장 중요한 물질 연구 시설 중 하나로 자리 잡았습니다. DESY에서는 전 세계 과학자들이 세계의 기본 구성 요소를 찾고, 단백질 분자를 해독하며, 완전히 새로운 특성을 지닌 신소재를 분석합니다.
1959년, 연방 장관 지크프리트 발케(왼쪽)와 막스 브라우어가 함부르크에서 DESY 설립 협정에 서명하는 모습.
세상에서 가장 작은 입자를 찾아서
1959년 12월 18일은 세계 최고 수준의 소립자 연구 기관 탄생의 출발점이 되었습니다. 이날 당시 함부르크 시장 막스 브라우어(Max Brauer)와 연방 원자력·수자원부 장관 지크프리트 발케(Siegfried Balke)는 함부르크 시청에서 '독일 전자 싱크로트론 재단(Deutsches Elektronen-Synchrotron)', 약칭 DESY 설립을 위한 국가 조약에 서명했습니다. 당시 입자 가속기는 미국을 포함한 극소수 국가에만 존재했기 때문에, 이 프로젝트는 획기적인 결단이었습니다. 예상 사업 비용은 1억 마르크로, 그중 90%는 연방 정부가, 나머지 10%는 함부르크 시가 부담했습니다.
그렇다면 왜 이토록 큰 노력을 들였을까요? 연구자들은 물질을 구성하는 아주 작은 입자들이 기존에 생각했던 것보다 훨씬 더 많다는 사실을 발견했기 때문입니다. 학계에서는 이를 통째로 '입자 동물원(particle zoo)'이라고 부릅니다. 1950년대 말부터 독일의 연구자들은 물질의 가장 작은 구성 요소를 탐사하고자 했습니다. 시설이 들어선 부지는 함부르크 바렌펠트로, 과거 군대 훈련장과 군용 공항으로 사용되던 곳이었습니다.
1964년, '입자 동물원' 연구 개막
거대한 시설이 가동되기까지 4년 이상의 시간이 필요했습니다. 1964년 2월 25일, 자정을 조금 앞두고 마침내 그 순간이 찾아왔습니다. 소수의 물리학자들이 새 입자 가속기의 제어실에 모여 결정적인 스위치를 눌렀고, 얼마 지나지 않아 첫 전자 뭉치가 가속기의 원형 진공관을 8,000바퀴나 돌며 질주하는 데 성공하면서 연구진은 축배를 들었습니다. 이후 DESY는 공식적으로 운영에 들어갔습니다.
전자들은 거의 빛의 속도로 관 안을 달리고, 대형 전자석들이 이들을 궤도에 묶어 둡니다. 충분한 에너지를 얻으면 전자들을 정면으로 충돌시키는데, 충돌의 결과물로 짧은 수명을 가진 입자들, 즉 물질의 미세한 구성 요소들이 만들어집니다. 검출기가 이를 연구자들의 눈에 보이게 만듭니다.
DESY를 잇는 가속기들
오늘날까지 연구 단지 전체에 이름을 내주고 있는 가속기 DESY는 시작에 불과했습니다. 수십 년에 걸쳐 DORIS, PETRA, 그리고 부지 내에서 3.6킬로미터로 가장 긴 가속기 링인 HERA 등이 잇달아 건설되었습니다. 현재 입자 가속기의 개발·건설·운영은 입자 물리학, 광자 연구와 함께 DESY의 3대 핵심 연구 분야 중 하나입니다.
DESY에서 발견된 글루온
물질의 내부 구조를 탐구하는 입자 물리학은 세 연구 분야 중 가장 오래된 분야입니다. 이 분야에서 연구진은 1979년 특별한 성과를 거두었습니다. PETRA 가속기를 통해 글루온(gluon)을 최초로 검출해 낸 것으로, 이는 지금까지 DESY에서 이루어진 성과 중 가장 널리 알려진 발견입니다. 글루온은 강한 상호작용(강력)을 매개하는 입자로, 강력은 중력, 전자기력, 약한 상호작용과 함께 자연의 4대 기본 힘 중 하나입니다. 비유하자면 글루온은 물질의 입자들을 하나로 묶어 주는 일종의 접착제라고 할 수 있습니다.
빛의 섬광으로 나노 세계를 탐험하다
싱크로트론 복사를 활용하면 재료를 X선으로 투과 분석할 수 있습니다. 덧칠되어 가려졌던 반 고흐의 그림이 다시 모습을 드러낸 것이 대표적인 예입니다.
오늘날 DESY의 세 번째 연구 축은 광자, 즉 빛 입자를 활용한 연구입니다. 전자를 강하게 가속하면 에너지의 일부가 강렬한 빛줄기로 방출되는데, 과학자들은 이른바 싱크로트론 복사(synchrotron radiation)를 이용해 나노 세계의 비밀을 파헤치고 분자 구조를 조사할 수 있습니다. 실제로 2008년에는 DORIS 가속기의 싱크로트론 복사를 통해 덧칠되어 가려졌던 반 고흐의 그림을 다시 드러내는 성과를 거두어 언론에도 크게 보도되었습니다.
PETRA 역시 현재 X선 광원으로 활용됩니다. 2009년부터 과학자들은 PETRA III를 통해 강력하고 파장이 매우 짧은 경질 X선 영역의 방사선을 생성해 왔습니다. 이 빛은 매우 강렬하고 예리하게 집속되며 짧은 펄스로 방출되므로, 연구자들은 아주 작은 시료도 검사할 수 있습니다. 생물학자들은 이를 활용해 단백질 결정의 원자 구조를 연구합니다.
FLASH: 초단시간 빛의 섬광
2005년부터는 자유전자레이저 FLASH라는 선형 가속기가 DESY 부지에서 가동 중입니다. 극자외선 영역부터 연X선, 즉 상대적으로 파장이 긴 X선 영역까지 빛의 섬광을 만들어 낸 세계 최초의 선형 가속기입니다.
300미터 길이의 완전히 곧은 이 시설에서 입자들은 원형으로 도는 대신, 초전도 가속기로 거의 빛의 속도까지 끌어올려진 뒤 '언듈레이터(undulator)'를 통과합니다. 언듈레이터는 수백 쌍의 자석으로 이루어진 구조물로, 전자들에게 지그재그 슬럼 코스를 강요합니다. 이 과정에서 입자들은 초단시간의 강력한 빛 섬광을 방출하며, 이를 통해 화학 반응처럼 극도로 빠르게 진행되는 현상을 추적할 수 있습니다.
FLASH 실험홀과 PETRA의 측정 스테이션은 수요가 워낙 높아, 전 세계 연구 기관과 기업의 이용 신청 중 일부만 수용할 수 있습니다. 이에 따라 2020년부터는 확장판인 FLASH2020 체계로 업그레이드가 추진되었습니다.
유럽 XFEL: 세계에서 가장 긴 X선 레이저
2017년 과학 운영을 시작한 유럽 X선 자유전자레이저 '유럽 XFEL(European XFEL)'은 FLASH와 같은 원리에 기반합니다. DESY에서 가장 최신 시설이자 세계 최대의 X선 레이저입니다.
연구자들은 이 시설의 X선 섬광을 통해 바이러스와 세포의 원자 수준 정보를 해독하고, 화학 반응을 촬영하며, 세포와 분자의 세계인 나노 우주를 입체 영상으로 담아낼 수 있습니다. 3.4킬로미터 길이의 선형 가속기 튜브는 DESY 부지에서 슐레스비히홀슈타인주 경계를 넘어 지하로 이어져 실험홀에서 끝납니다. 약 12억 유로에 달하는 건설 비용은 12개국이 분담했으며, 그중 독일과 러시아가 가장 큰 몫을 부담했습니다.
힉스 입자를 찾아서
그럼에도 입자 물리학은 DESY에게 여전히 중요한 분야입니다. DESY는 제네바 CERN 연구센터에 있는 원주 27킬로미터의 거대 링 가속기, 대형 하드론 충돌기(LHC) 연구에 참여하고 있습니다. 2012년 연구자들이 오랫동안 찾아 헤매던 힉스 입자를 발견한 곳이 바로 이곳입니다. DESY는 또한 힉스 입자를 보다 면밀히 조사하기 위한 선형 가속기인 국제 리니어 콜라이더(ILC)라는 미래 프로젝트에도 참여하고 있습니다. 다만 이 프로젝트의 실현 여부에 대한 최종 결정은 아직 내려지지 않았습니다.
영원한 빙하 속의 유령 입자
중성미자를 포착하기 위해 최대 2,450미터 깊이의 맑은 얼음 속에 약 5,160개의 모듈이 매설되었습니다.
DESY가 참여하는 또 하나의 볼만한 프로젝트는 '아이스큐브(IceCube)'입니다. 연구자들은 남극의 영구 설빙에 5,000개가 넘는 검출기를 최대 2,450미터 깊이까지 삽입했습니다. 이는 소위 중성미자를 포착하기 위한 거대한 망원경 역할을 합니다. 극도로 가벼운 이 입자들은 평소 모든 물질을 방해받지 않고 통과하기 때문에 '유령 입자'라고도 불립니다. 물질 입자와 충돌하는 경우는 극히 드물며, 바로 그 순간에만 관측이 가능합니다. 남극에서 연구자들이 찾는 것은 우리 태양계가 아니라 블랙홀이나 초신성 폭발에서 온 중성미자입니다. 이 입자들은 그러한 강력한 우주 현상에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. 연구진은 2012년과 2013년, 두 차례에 걸쳐 우주 깊은 곳에서 온 고에너지 중성미자 검출에 성공했습니다.
세계적 위상의 연구 센터
세 가지 연구 분야를 아우르는 DESY는 오늘날 물질의 구조와 기능 연구 분야에서 세계에서 가장 중요한 센터 중 하나입니다. 약 40개국에서 온 3,000여 명의 객원 과학자들이 가속기를 활용해 다채로운 미시 세계를 연구하고 있습니다. 이들은 새로운 나노 소재의 거동을 시험하거나 분자 사이에서 일어나는 필수적인 생명 과정을 관찰함으로써, 신약 개발과 신기술 발전에 중요한 통찰을 제공하고 있습니다.
