22m 은빛 타워, '1500만 볼트'로 입자를 쏘다

호주 캔버라 호주국립대(ANU) 캠퍼스엔 한 동의 40ｍ짜리 타워가 솟아 있다. 겉으로 보기엔 산업시설 같지만 안으로 들어서면 두꺼운 철문과 빽빽한 케이블, 22ｍ 금속 실린더가 시야를 채운다. 호주 유일의 핵물리 실험 가속기인 중이온 가속기 시설(HIAF)이다. 원자를 빛의 속도에 가깝게 가속해 충돌시켜 우주·의료·양자 산업을 위한 핵심 데이터를 생산한다. 국가 차원의 ‘전략적 파운드리’ 역할을 하는 시설이다.

“가속기는 차로 치면 엑셀 페달입니다. 입자를 엄청나게 빠르게 만드는 장치죠.” 지난달 20일 ANU에서 만난 마하난다 다스굽타 HIAF 소장은 시설을 이렇게 비유했다. 타워 안엔 최대 1500만V까지 전압을 끌어올리는 14UD 펠레트론 가속기가 숨겨져 있다. 이 장비가 원소 입자의 속도를 높이는 역할을 한다. 다스굽타 소장은 “이 엑셀 페달은 단지 물리학을 위한 게 아니다. 기후와 우주, 양자, 농업, 암 치료까지 연결돼 있다”고 했다. HIAF는 호주 정부로부터 국가 연구 인프라(NCRIS)로 지정된 시설이다.

가속기는 수소부터 플루토늄까지 거의 모든 원소를 빛의 속도에 가까운 속도로 가속한 뒤 다른 물질에 충돌시킨다. 음극·양극을 번갈아 통과시키며 속도를 붙여 이온빔을 생성하고 물·토양·부품·암세포·씨앗 같은 다양한 표적에 쏜다. 이 과정에서 생기는 미세한 신호를 분석해 물과 토양, 공기, 우주에서 온 입자의 ‘출신 성분’을 구분한다.

이 기술은 다양한 생활 영역에 적용할 수 있다. 대표적인 게 지하수, 토양 분석이다. 비가 내려 땅속으로 스며들 때 같이 들어간 방사성 동위원소 농도를 측정하면 지하수가 50년 전 빗물인지, 5만 년 전 빗물인지 ‘나이’를 추정할 수 있다. 오래된 물일수록 재충전 속도가 느리기 때문이다. 어떤 지역에서 어느 정도 속도로 지하수를 퍼올려야 적절한지 정책 판단의 기초 데이터가 된다. 다스굽타 소장은 “국가가 물을 얼마나 오래 쓸 수 있는지에 관한 데이터를 확보할 수 있다”고 했다.

농업에도 활용된다. 카놀라·밀 씨앗에 약한 이온빔을 쏴 DNA에 미세한 손상을 준다. 이렇게 생성된 수많은 씨앗 가운데 고온·가뭄·염분에 강한 개체를 골라낸다. 자연 상태에서는 수만 년에 한 번 일어날 돌연변이를 실험실에서 몇 년 만에 압축해서 일으켜 새 품종을 개발할 수 있게 된다는 의미다. 의학 분야에서는 암세포에 중이온빔을 쏴 어떤 방식으로 영향을 미치는지 주변 정상세포에는 어떤 영향을 주는지 확인할 수 있다.

HIAF는 호주 연구자만 쓰는 장비가 아니다. 호주 정부의 국가 인프라지만, 해외 연구자에게도 개방돼 있다. 한국은 대전 RAON, 부산대 이온빔센터 등 각종 가속기 인프라를 구축하는 단계다.

캔버라=고은이 기자 koko@hankyung.com