GIST-IBS, "우주에서나 가능한 '반입자' 생성 길 열어"

1천조 W/㎠ 초강력 레이저로 '비선형 콤프턴 산란' 세계 최초 구현

우주의 극한 환경에서나 가능한 새로운 물질 생성을 실험실에서 할 수 있는 길이 열렸다. 이 기술을 이용하면 진공상태에 강한 빛을 때려 그동안 지구상에서는 구현한 적이 없는 반입자 등을 생성할 수 있다.

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 물리‧광과학과 남창희 초빙석학교수와 고등광기술연구소 성재희 수석연구원 연구팀이 IBS 연구팀과 공동으로 초강력 레이저를 이용해 강력장 양자전기역학 현상인 '비선형 콤프턴 산란'을 실험적으로 입증했다고 21일 밝혔다.

'콤프턴 산란'은 .X선이나 감마선의 파장을 가진 광자가 전자와 상호작용해 에너지가 변환되는 것을 말한다. 콤프턴은 이 예측으로 1927년 노벨물리학상을 받았다.

비선형 콤프턴 산란을 입증한 GIST 물리‧광과학과 남창희 초빙석학교수(왼쪽)와 고등광기술연구소 성재희 수석연구원.

우주의 극한 환경에서 발생하며, 충돌할 때 반입자 같은 새로운 물질이 나타난다. 이를 입증하기 위해 10여 년 전부터 유럽, 미국, 중국 등 초강력 레이저 시설을 보유한 그룹이 연구를 해왔으나, 최근까지 누구도 입증하지 못했다.

GIST연구팀은 자체 개발한  4PW(페타와트, 1000조)W/㎠의 초강력 레이저를 이용해 비선형 콤프턴 산란을 세계 최초로 구현했다.

연구팀은 초강력 레이저를 두 개의 빔으로 가른 후, 하나의 레이저 빔은 기체에 집속시켜 고에너지 전자를 발생시키고, 다른 빔은 이 고에너지 전자와 충돌시켜 비선형 콤프턴 산란을 일으켰다.

연구팀은 3×10의 20승 W/㎠의 강한 세기를 갖는 초강력 레이저 빔과 2.4 GeV( 10의9승 eV)의 에너지를 갖는 전자를 충돌시켰다. 이 때 전자 한 개와 300개 이상의 레이저 광자가 충돌하면서 470MeV(10의6승 eV(전자볼트))의 에너지를 갖는 감마선 광자 한 개로 변환되는 비선형 콤프턴 산란 현상을 관측했다.

고등광기술연구소 성희재 수석연구원은 "우주에서나 일어날 법한 일이지만, 이를 실험실에서 구현했다는 의미가 있다"며 "새로운 물질을 생성할 수 있는 길을 열었다"고 설명했다.

남창희 교수는 “빛과 물질의 상호작용 연구가 양자적 진공이 상호작용의 주인공으로 등장하는 새로운 영역 즉, 강력장 양자전기역학에 진입하게 되었다"며 "진공의 본질을 더 잘 이해하게 되면서 새로운 물리 현상도 발견할 수 있을 것"으로 기대했다.

GIST 물리‧광과학과 남창희 교수와 고등광기술연구소 성재희 박사 연구팀이 수행한 이 연구는 IBS 초강력레이저과학 연구단사업과 GIST 극초단광양자빔 연구시설 운영사업의 지원을 받았다.

연구결과는 광학 분야 국제 학술지 '네이처 포토닉스(Nature Photonics)'에 온라인(10월 14일)으로 게재됐다.

세계 최고 세기를 가진 초강력 레이저(GIST & IBS)와 비선형 콤프턴 산란 실험 개념도.

비선형 콤프턴 산란 실험 결과. 왼쪽 그림은 초강력 레이저로 발생된 고에너지 전자빔의 스펙트럼으로 전자의 에너지가 2.4 GeV 임을 보여준다. 가운데 그림은 고에너지 광자(감마선)의 측정 신호를 보여준다. 오른쪽은 감마선 스펙트럼으로 470 MeV의 에너지를 갖는 감마선이 발생되었음을 보여준다.