적은 비용으로 빠른 전자를 만들기
강력한 레이저로 원자를 쪼이면 이상한 현상이 나타난다. 이와 같은 강력한 레이저에 의한 원자전자가 광속도로 움직일 때 일어나는 효과를 레이저 물리학자들은 상대효과(relativistic effects)라 부른다. 지난 4월의 논문 [Phys. Rev. Lett. 84, 3282 (2000)]에서 Illinois State University(ISU)의 Rainer Grobe 연구진은 좀 더 싼값으로 상대효과를 일으키는 방법을 제안하였다. 그들은 컴퓨터 모의실험에서 CO2 레이저와 함께 강력한 자기장을 이용함으로써 원자전자를 광속도에 가깝게 가속할 수 있었고, 전자가 원모양으로 된 공간분포를 이룰 뿐만 아니라 대칭형이 아닌 톱니모양의 공명곡선을 갖는다는 사실을 알게 되었다.
宇宙線에 관한 수수께끼
강력한 宇宙線이 우주에 있는 迷地의 장소로부터 매일 수 천번씩 우리의 대기공간을 통과하곤 한다. 이 宇宙線은 가장 강력한 가속기에서 만들 수 있는 입자에너지에 비해 1억배의 에너지를 가질 만큼 그 원인에 관해서는 신비스럽기 그지없다. 만약 宇宙線이 양성자라 가정할 때, 그들은 에너지를 잃지 않고는 어떠한 우주공간을 진행할 수 없기 때문에 우리가 알고 있는한 지구근처의 어떠한 우주공간에서도 이들을 방출해 낼 만한 근원을 찾아낼 수가 없다. 그러나 최근 [Phys. Rev. Lett. 84 3527 (2000)], NewYork 대학교의 Glennys Farrar와 Tsvi Piran은 이러한 생각이 그 동안 잘못 계산된 우주공간의 자기장에서 비롯되었음을 지적하였다. 그들의 계산에 의하면 실제보다 강한 우주공간의 자기장으로 말미암아 宇宙線의 진행궤도가 좀 더 곡선을 이루게 되고, 이에 따라 宇宙線의 근원지도 종전의 생각보다는 가까운 곳에 있다는 것이다. 그 동안 천체물리학자들은 高에너지의 양성자들이 우주공간에서 마이크로파 배경(big bang으로 인한 우주를 채운 microwave background)의 광자와 상호작 용하게 되어 低에너지의 입자의 형태로 된다는 사실을 알고 있었다. 구태여 고차원의 물리학계산을 사용하지 않더라도 1020 eV 에너지의 양성자는 약 50 Mpc (50 megaparsecs는 약 1억 5천 광년에 해당한다)의 거리에 있는 물체에서나 방출되는 엄청난 거리로부터 오는 것으로 추산한다. 이러한 계산에서 과학자들은 우주공간 자기장의 세기를 상대적으로 약한 값인 약 nG(10－9 gauss) 정도로 생각하였다. 이로 인해 강력한 宇宙線들(ultrahigh energy cosmic rays; UHECRs)은 비교적 직선의 경로를 진행하게 되고, 그 결과로 장거리의 근원지가 추산 그 동안 고출력-단파장 펄스레이저 기술의 발달로 실험물리학자들은 이론물리학자들이 예측할 수 없었던 원자현상들을 관측하였다. 예를 들면, 매우 짧은 적외선 레이저펄스에 의해 원자로부터 전자를 떼어낼 수 있었고, 또 거꾸로 전자를 원자에 강하게 충돌시킴으로써, 적외선의 200배 이상이 되는 x-선 빔을 방출할 수도 있었다. 그러나 이러한 실험들은 항상 원자의 이온화에 의해 제한된다.
그러나 문제는 원자핵이 높은 에너지상태에 있는 전자를 붙잡고 있을 수 없다는 것이다. Grobe 연구진은 강한 자기장이 더해짐으로써 이와 같은 일이 일어날 수 있다는 것을 알았다. 자기장은 전자가 원자핵으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있던지 간에 거리에 상관없이 전자를 곡선궤도에 감금할 수 있다. 즉, 전자의 궤도주기(cyclotron 진동수)와 레이저 진동수를 같게 하여 자기장을 걸어줌으로써 그들은 전자들이 쉽게 레이저로부터 에너지를 흡수하여 광속도에 가깝게 진행함을 알게 되었다. 그들은 1014 W/cm2 세기의 CO2 레이저만으로 구성된 실험에서 전자의 속도가 광속도의 8 % 정도에 불과했던 것이, 10 T의 자기장이 더해진 실험에서는 전자가 거의 광속도의 80 %에 가깝게 가속됨을 관측하게 되었다.
전자의 운동을 연구하기 위해서 Grobe 연구진은 순전히 상대론적 고전역학 운동방정식인 상대론적 Liouville 방정식을 사용하여 컴퓨터 모의실험을 시도하였다. 그들의 결과에 의하면, 자기장이 레이저에 대해 공명을 이룰 때 전자의 속도가 증가될 뿐만 아니라 자기장에 대한 전자의 속도분포곡선이 톱니모양을 이룬다는 것이다. 그 동안 比상대론적인 전자의 속도분포곡선은 Lorentz 분포와 같은 대칭형태를 갖는 것으로 인식되어 왔다.
그 이외에도 Grobe 연구진은 전자가 원자핵을 중심으로 한 원모양 궤도에서 회전을 한다는 것을 발견하였다. 더욱 놀라운 사실은 이 때 전자의 궤도직경이 원자크기의 5000 배에 달하는 거의 500 nm에 이른다는 것이었다. 그러므로 레이저와 자기장을 함께 이용하면 높은 조화진동수의 레이저빔을 만들 수도 있고, 매우 강력한 레이저를 만들 수 있을 것이다.
反물체 Trap
反물체(antimatter)는 입자가속기에서 反양성자(antiprotons)와 양전자(positrons)의 형태로 존재하는 보편적인 물체이다. 그러나 그 동안 아무도 중성 反원자들을 만들어 본 적이 없다. 예로서 反수소를 만들 때의 문제점으로, 접근하는 양전자가 아무런 반응없이 反양성자를 곧장 지나쳐 버리는 것을 들 수 있다. 그러나 네덜랜드와 미국의 과학자로 구성된 연구진은 전자와 이온(ion)을 잠시 反물체로 결합하는 새로운 실험기술을 선보였다[Phys. Rev. Lett. 84, 3799 (2000)]. 그들은 전자를 이온의 범위에 있게 하기 위해 전기장을 스위칭(switching)하는 기술을 이용하였다. 되었다. 그러나 그 동안 연구한 바에 따르면 지구로부터 50 Mpc의 거리에는 이 UGECRs를 방출할만한 아무런 물체가 없다.
우주공간의 자기장과 宇宙線은 빛의 편광을 회전시킨다. 이로 인해 그 동안 과학자들은 우주공간의 자기장 세기를 퀘이저(quasars)로부터 빛의 편광회전을 관측함으로써 계산해 왔다. 그러나 과거의 우주모형은 균일우주의 모형으로서 현재 받아들여지고 있는 속이 비어 있는 "스위스치즈 모형"과 "일반우주(과거의 암흑물질 또는 암흑에너지 우주)"로부터 크게 구별된다. 이러한 우주론의 변화로부터 Farrar와 Piran은 우주공간의 자기장 세기도 반드시 nG 정도일 필요가 없음을 깨닫게 되었다.
이러한 가정에 의해서 그들은 좀 더 큰 자기장을 가정하게 되었고, 이러한 증가된 자기장의 우주공간에서의 분포에 따라 高에너지의 宇宙線들이 한층 휘어지는 곡선궤도에서 진행할 것으로 생각 하였다. 이렇게 해서 그들은 宇宙線들의 일부에 대한 根源地가 생각보다 그렇게 멀지 않은 곳으로서 M87을 주목하기에 이르렀다. 이는 약 20 Mpc 떨어진 AGN (Active Galactic Nucleus)로서 모든 또는 부분적으로 UHECRs를 설명할 수 있으리라 생각하였다. 그리고 UHECRs의 일부가 M87에서 온다는 가정 하에 Farrar와 Piran은 그들의 예측을 시험하기 위해 새로운 Auger 탐지기로 된 안테나를 Argentian에 건설 중에 있다. 과거 수년간 네덜랜드 연구진의 Bart Noordam(FOM Institute for Atomic and Molecular Physics)은 높은 들뜬 상태의 전자를 원자로부터 떼어 내기 위해 강한 전기장을 사용하는 기존의 일반 이온화기술을 사용해 왔다. 그는 이러한 전기장에 의한 이온화기술을 이용함으로써 전자의 떼어짐이 약간 늦어질 수 있다는 사실에 의해 다른 과학자들의 懷疑에도 불구하고 逆이온화과정을 기대하게 되었다.
그는 그의 실험을 위해 전기장(진동수가 약 0.1 GHz인 펄스)을 이용하였다. 이온이 정전기장에 놓여있게 되면 전자와 이온간의 쿨롱 퍼텐셜은 변형되는데, 이 때의 완화된 퍼텐셜로 인해 전자는 이온과 아무런 반응없이 지나가게 된다. 그러나 정전기장이 꺼지게 되면, 전자는 쿨롱 퍼텐셜의 증가된 변화로 인해 이온과 결합하게 되고, 높은 에너지의 들뜬상태(Rydberg state)로 있게 된다. 즉 외부 전기장과 이온 전기장이 퍼텐셜 둔턱을 형성하게 되는데, 외부전기장이 없어지게 되면 이 둔턱이 더 높아져서 전자를 가두게 된다. 특히 전자를 가두는 문제는, 잠자리채로 잠자리를 잡듯이, 이온의 위에서 얼마나 빠르게 전자를 가두느냐하는 것이다. Noordam에 의하면 1 ns에 1.5 V/cm의 전기장을 끄는 것은 그렇게 어렵지 않기 때문에 전자를 가두는 것은 그렇게 어려운 일이 아닐 것이다.
Noordam 연구진은 그들의 실험을 위해 루비듐 이온들을 약한 전기장에 놓은 다음 레이저 펄스에 의해 그 이온들을 더욱 이온화시키는 방법을 사용하였다. 이렇게 함으로써 그들은 Rb 이온들은 그대로 둔 채 더 많은 전자들을 떼어 내었다. 그리고 전기장이 꺼지고, 130 ns 지난 다음, 전자들을 이온 근처로 가게 함으로써 높은 들뜬 상태의 원자를 얻게 되었다. 이렇게 펄스전기장 재결합방법(pulsed field recombination; PFR)에 의해서 생성된 Rydberg 원자의 들뜬상태 전자들은 n＝123∼200의 양자수를 갖는 것으로 관측되었다.
현재의 PFR 방법에 의하면 이온 중에 약 1 % 정도가 재결합할 수 있다고 한다. Harvard 대학교의 Gerald Gabrielse는 Noordam의 결과에 대해 "만약 전자와 이온 대신에 양전자와 양성자를 재결합하는 기술이 개발되면 낮은 온도에서도 저온 反수소를 만드는 새로운 장이 열릴 수 있다"라는 말로써 그 실험결과의 중요성을 강조하였다.
[편집위원 유종훈