초강력 레이저로 약 2m 콘크리트 뚫고 사진 찍었다…비밀은

루마니아의 초강력 광 기반구조 원자핵물리학 연구소(ELI-NP)에서 세계에서 가장 강력한 레이저를 가동해 수 미터 두께 콘크리트를 뚫고 내부 물체의 형상을 촬영하는 데 성공했다.

과학 전문매체 뉴아틀라스는 루마니아 호리아 홀루베이 국립 물리학 및 원자력공학 연구소(IFIN-HH) 마달리나 도브레 연구원이 이끄는 연구진이 이 같은 연구 결과를 발표했다고 보도했다. 해당 논문은 논문 사전 공개 사이트 아카이브(arXiv)에 실렸다.

뮤온이 포함된 인공 레이저를 이용해 연구팀은 납 벽돌 더미의 그림자를 포착할 수 있었다. (사진= 마달리나 도브레 외)

연구진은 세계 최초로 레이저로 만든 인공 뮤온(muon) 빔을 활용해 약 2m(6피트) 두께의 콘크리트 벽을 투과한 뒤 내부 물체의 이미지를 촬영하는 데 성공했다. 공개된 사진은 화질이 낮고 세부 묘사가 부족하긴 하지만, 보안 검색부터 채굴에 이르기까지 다양한 분야에 응용할 수 있는 획기적인 영상 기술의 이정표로 평가받는다.

뮤온은 전자와 성질이 유사하나 질량은 약 207배 더 무거운 입자다. 자연 상태에서는 우주에서 날아오는 고에너지 양성자가 지구 대기 상층부의 원자와 충돌할 때 생성되는데 이 과정에서 '파이온'이라는 쿼크 쌍이 방출되고, 이 파이온이 빠르게 붕괴하면서 뮤온이 만들어진다.

탐지 차량 옆에 놓인 납 무게 추 (사진=Dobre et al. arXiv. 2026)

뮤온은 수명이 극히 짧지만, 압도적인 질량과 속도 덕분에 지표면까지 다다를 수 있으며 두꺼운 암석층도 쉽게 뚫고 들어가고 밀도가 높은 암석층도 가장 강력한 X선보다도 훨씬 깊숙이 침투한다.

과학자들은 수십 년 동안 자연 조건에서 뮤온을 활용해 피라미드 내부의 숨겨진 공간이나 지하 깊은 곳의 광물 매장지를 탐사해 왔다. 하지만, 자연 뮤온을 이용한 촬영은 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 지표면에 입사하는 각도가 제한적인 데다, 도달하는 양도 1㎠당 초당 1개 수준으로 매우 적기 때문이다.

이를 극복하기 위해 과학자들은 강력한 레이저로 전자를 전자기파 상에서 빠르게 가속시킨 뒤 표적에 충돌시켜 인공적으로 뮤온을 만들어내는 방법을 연구해 왔다.

납을 감지한 이미지(왼쪽)와 납이 없는 이미지(우측)을 비교한 사진 (사진=Dobre et al. arXiv. 2026)

지난해 국제 연구진이 이 원리의 실현 가능성을 입증했으며, 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)와 콜로라도주립대 연구팀 역시 트럭 내부의 납 무게추를 촬영하는 데 성공한 바 있다. 다만 당시 발생한 입자 중 뮤온의 비율이 불명확해 공식적인 '최초의 인공 뮤온 사진' 타이틀을 두고 논쟁이 이어져 왔다.

이번에 연구진이 사용한 10페타와트(PW) 레이저는 순간 출력이 지구상의 모든 전력망을 합친 것보다 수천 배에 달하는 초강력 장치다. 연구진은 레이저 섬광으로 전자를 파도처럼 몰아붙여 납 차단벽에 충돌시켰다. 이어 뮤온 외의 불필요한 입자들을 걸러내기 위해 파라핀 블록을 폴리에틸렌 시트로 감싼 특수 필터를 거치게 하여 순도 높은 뮤온 빔을 추출했다.