'뮤입자 충돌형 가속기'가 소립자물리학에 혁명을 가져올지도 모른다

물질을 구성하는 최소 단위인 소립자를 연구하는 소립자물리학에서는 입자를 가속시켜 대상에 맞추거나 서로 충돌시키는 가속기에 의한 실험이 중요하지만 차세대 가속기 개발에는 비용과 기간면에서 과제가 존재합니다. 그런 가운데 미국에서는 소립자의 하나인 '뮤입자'를 고속으로 충돌시키는 'muon collider(뮤입자 충돌형 가속기)'의 개발이 검토되고 있다고 하며, 과학지 Science가 뮤입자 충돌형 가속기의 개발에서의 과제나 전망에 대해 정리하했습니다.

A muon collider could revolutionize particle physics—if it can be built | Science | AAAS
https://www.science.org/content/article/muon-collider-could-revolutionize-particle-physics-if-it-can-be-built

소립자 물리학자들은 수십 년 동안 가속기를 사용하여 고에너지 입자를 충돌시켜 현상과 입자를 관측해 왔습니다. 에너지와 질량은 등가이기 때문에 입자를 고에너지로 충돌시킴으로써 소립자의 3개의 기본적인 상호작용을 기술하는 표준모형을 검증하거나 미지의 소립자나 물리현상을 탐색할 수 있습니다.

현시점에서 존재하는 가속기 중에서 가장 강력한 것은 유럽원자핵연구기구(CERN)가 건설한 대형 하드론 충돌형 가속기(LHC)입니다. LHC는 양성자를 빔으로 정면 충돌시키는 가속기로 이론적으로 예언되고 있던 힉스입자의 발견에 공헌하는 등 크게 활약했습니다.

더욱 소립자를 이해하기 위해서는 보다 고에너지로 입자를 충돌시킬 필요가 있기 때문에 CERN은 더욱 대형이고 강력한 가속기의 구축을 계획하고 있다고 합니다. 전장 27km의 원형 충돌형 가속기인 LHC에 비해 CERN은 전장 100km에 이르는 'Future Circular Collider(FCC：미래 원형 충돌형 가속기)'의 건설 프로젝트를 검토하고 있습니다.

International collaboration publishes concept design for a post-LHC future circular collider at CERN | CERN
https://home.cern/news/press-release/accelerators/international-collaboration-publishes-concept-design-post-lhc

International collaboration publishes concept design for a post-LHC future circular collider at CERN

그러나 업그레이드한 FCC(FCC-hh)가 가동하는 시기는 2070~2080년이 될 가능성이 커 현재 연구를 하고 있는 소립자 물리학자의 대부분은 그 무렵에 은퇴 혹은 사망할 것으로 보입니다. 이에 미국의 소립자 물리학자들은 양성자나 전자가 아니라 '뮤입자'라는 고에너지의 소립자를 반뮤입자와 충돌시키는 뮤입자 충돌형 가속기의 개발을 추진하고 있습니다.

2023년 12월 미국 정부의 과학 자문 위원회인 Particle Physics Project Prioritization Panel(5P: 소립자 물리학 프로젝트 우선 순위 패널)은 미국에서의 향후 10년 간의 연구 로드맵을 제시했는데 그 중에서 뮤입자 충돌형 가속기의 연구개발도 포함되어 있었습니다. 뮤입자 충돌형 가속기는 미국 페르미 국립 가속기 연구소의 캠퍼스 내에 들어갈 수 있는 크기가 될 수 있으며, 유럽에 앞서 건설할 수 있다면 가속기 개발 경쟁에서 미국이 주도권을 되찾을 수 있을 것으로 기대됩니다.

뮤입자 충돌형 가속기를 개발하는 이점은 기능적으로 동등한 양성자 충돌형 가속기보다 작고 저렴한 비용으로 FCC-hh보다 수십 년 빨리 완성될 수 있다는 점 등이 있습니다. 뮤입자는 전자의 207배의 질량을 가지며 가속 중에 방사하는 에너지가 훨씬 적기 때문에 원형 가속기의 반경이 불과 10km 정도에서 충분할 것으로 보입니다. 시산에 따르면 FCC-hh의 구축에는 500억 달러의 비용이 드는데 성능이 필적하는 뮤입자 충돌형 가속기의 구축은 180억 달러로 실현할 수 있다고 보여지고 있다는 것.

또 복수의 소립자가 결합된 양성자와 달리 뮤입자는 소립자이기 때문에 뮤입자 충돌형 가속기는 힉스입자가 생성되기 쉽고 소립자물리학의 연구에서 중요한 힉스장의 연구에 이점이 있다고 합니다. 이탈리아 국립 핵물리학연구소의 연구자인 도나텔라 루케이지 씨는 “이 기회를 놓치지 말아야 한다. 이것은 매우 중요하다”고 말했습니다.

테네시대학의 소립자 물리학자인 토바 홈즈 씨는 FCC-hh가 완성될 무렵에는 확실히 은퇴했거나 죽기 때문에 25년 정도에 완성될 가능성이 있는 뮤입자 충돌형 가속기에 기대하고 있다는 것.

뮤입자 충돌형 가속기에 대한 기대가 높아지는 한편 실제로 뮤입자를 가속시켜 충돌시키는 기구를 실현할 수 있는지는 불투명합니다. 큰 과제 중 하나가 '양성자와 전자와 달리 뮤입자는 순식간에 붕괴된다'는 점입니다.

뮤입자는 놓아두면 2.2마이크로초만에 중성미자와 반중성미자로 붕괴해 버리기 때문에 뮤입자 충돌형 가속기는 한순간에 뮤입자의 생성부터 가속, 그리고 충돌까지를 실행하지 않으면 안됩니다. 페르미연구소의 소립자 물리학자인 세르고 진 달리아니 씨는 “뮤입자는 불안정하므로 가속의 모든 단계가 믿을 수 없을 정도로 빨라야 된다”고 보았습니다.

현시점에서는 뮤입자 충돌형 가속기의 개발 프로젝트가 시작되고 있는 것은 아니고, 소립자 물리학자들은 기초적인 연구개발의 지원을 요구하고 있는 단계입니다.