일본산업뉴스요약

양자가속센터, 중성자 산업에 응용
신재료∙신약 개발 가속, 우주의 진화과정 해명

일본원자력연구개발기구와 고(高)에너지가속기연구기구가 공동 운영하는 고강도 양자가속센터 ‘J-PARC’(이바라키현)가 공용 이용을 시작한지 12월로 10년째를 맞이했다. 신재료나 신약 개발로 이어지는 중성자나 뮤온(Muon) 그리고 뉴트리노를 이용한 기초연구 등 폭넓은 분야에서의 공헌이 기대되고 있다.

J-PARC는 직선가속기(Linac)와 2개의 주회(周回)형 가속기를 보유하고 있다. 양자를 Linac으로 0.4GeV(기가 전자볼트, 기가는 10억)까지 가속화 한 후, 소형의 주회형 가속기로 3GeV까지 가속한다. 이 양자빔을 수은이나 탄소 등의 표적에 부딪혀서 중성자나 뮤온을 만든다. 그리고 대형 주회형 가속기로 30GeV까지 가속한 양자를 이용하여 소립자의 하나인 뉴트리노를 만드는 것도 가능하다. 고강도 입자를 이용한 물리학의 기초 연구뿐 아니라 엔진 내의 연료의 움직임 계측 등 기업도 이용할 수 있어 산업계가 거는 기대는 크다.

양자빔의 이용에서 90%를 차지하는 것이 중성자나 뮤온을 이용하는 ‘물질∙생명과학실험시설(MLF)’이다. 2008년 12월에 다른 시설보다 앞서서 가동한 MLF는 세계 최고 성능의 중성자 발생 장치를 갖고 있다. 23개의 빔 라인 중 현재는 20개가 가동하고 있다.

중성자를 사용하면 무엇이 가능할까? 중성자는 전하를 갖지 않기 때문에 전기적인 영향을 받지 않고 물질을 그래도 통과하기 쉽다. 고속으로 고밀도의 중성자(중성자빔)를 물체에 조사(照射)하여, 나노미터(나노는 10억분의 1) 크기 이하의 내부 구조를 조사할 수 있다. X선의 경우는 측정이 곤란한 수소 등 가벼운 원소를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 중성자 자체가 소형 자석의 역할을 하기 때문에 물질의 자기(磁氣) 구조도 조사할 수 있다.

전세계적으로 대형 펄스 중성자 시설로는 J-PARC, 미국 ‘SNS’, 영국 ‘ISIS’가 있다. J-PARC의 빔 전체의 에너지 강도는 SNS보다 낮지만, 중성자 발생 장치에서 튀어나오는 1펄스 당 중성자 수는 SNS의 3배로 세계 최고다. 또한 중성자뿐 아니라 뮤온도 사용할 수 있다는 것은 큰 이점이다.

그리고 19년에는 스웨덴에 차세대 중성자 시설 ‘ESS’가 건설될 예정이어서 중성자를 이용한 연구 경쟁은 더욱 심해질 것이다. 그래서 J-PARC는 현재 1펄스 당 300kW 강도의 양자빔을, 18년 여름을 목표로 약 600kW로 배증할 계획이다. 앞으로 양자빔 강도 1,000kW를 목표로 하여, 내구성을 향상시킨 새로운 용기를 18년 여름 이후에 도입하는 것도 검토 중이다. 양자빔의 강도 향상을 통해 얻은 고강도의 중성자빔으로 실험 시간을 단축할 수 있다. 유저 기업의 신재료나 약의 개발 속도를 높여 실험 기회를 늘릴 수 있다.

지금까지도 스미토모고무공업이 J-PARC의 중성자선과 대형 방사광시설 SPring-8 (효고현)의 X선을 이용하여, 저연비로 그립이 좋고 오래 사용할 수 있는 타이어를 개발하는 등 성과를 올리고 있다.

J-PARC에서 발생시킨 뉴트리노를 295km 떨어진 뉴트리노 검출기인 ‘Super-Kamiokande’(기후현)로 보내 관측하는 ‘T2K(Tokai to Kamioka)실험’도 연구의 큰 기둥이다.

뉴트리노에는 '전자형’, ‘뮤온형’, ‘타우형'의 3종류가 있다. 이들 뉴트리노는 비행 중에 뮤온형에서 전자형, 뮤온형에서 타우형 등 다른 종류로 변화하는 ‘뉴트리노 진동’을 촉구한다. 이 현상을 강력한 고성능의 뉴트리노 빔으로 정밀하게 연구하는 것이 T2K 실험이다. 현재는 반(反)입자의 ‘반뮤온형’을 발생시켜, 그것이 ‘반전자형’으로 변하는지를 조사하고 있다.

뉴트리노는 우주 진화에 큰 역할을 담당했다고 생각되는 물질이다. 실험이 진행되면 우주는 ‘물질’에 비교하여 ‘반물질’이 극단적으로 적다는 수수께끼를 해명할 수도 있다.

앞으로 슈퍼-카미오칸데의 약 10배의 감도를 갖는 ‘Hyper-Kamiokande’의 계획도 진행되어 있으며, 소립자 물리학에 대한 큰 공헌을 기대할 수 있다.

조직 내에서 절차탁마
연구성과의 논문 작성 조직적 지원
J-PARC 센터장 사이토 나오히토(斎藤直人) 씨

Q: 물질∙생명과학실험시설(MLF)의 빔 라인의 공용 이용을 시작한지 12월로 10년째가 됩니다.
“MLF의 조직 개편에 착수하고 있다. 16년에 ‘사이언스&테크놀로지그룹’을 설치하고, 홈페이지 등 외부에서 조직 내를 쉽게 볼 수 있도록 하였다. 그룹을 만들고 나서 내부에 경쟁 의식을 고취시키는 것도 중요하다고 생각하였다. 그래서 연구 성과를 고품질 논문으로 완성할 수 있도록 조직적인 지원 체제도 구축하였다”

Q: 고강도 양자빔을 보유하고 있는 이점은 무엇입니까?
“고강도 중성자빔이라면 시료에 조사하여 단시간에 선명한 화상을 촬영할 수 있다. 배터리의 충방전 모습을 동영상처럼 볼 수 있다. 중성자는 수소이온의 움직임을 보는데 뛰어나며, 단백질 내부의 수소 이온의 이동이나 반응 등을 파악할 수 있다. 배터리 개발이나 신약 개발 등에 대한 공헌을 기대할 수 있다”

Q: 10년 동안 오류 때문에 빔 제공을 정지하는 사태가 몇 번인가 발생했습니다.
“순조롭게 정비해 왔지만 11년에 동일본대지진, 13년 하드론 시설의 누수사고, 15년에는 중성자 발생 때 필요한 수은 표적에서 오류가 발생했다. 이러한 오류로 인해 연구기관이나 기업이 이용하는 빔을 제공할 수 없었던 것은 정말 애석하게 생각한다”

“그 후에 각 곳의 수리나 규제기관에 대한 보고뿐 아니라 인근 지자체의 이해를 얻는 과정이 필요해서 가능한 정중하게 설명하였다. 수은 표적이 망가졌을 때는 용접 라인의 오류라는 것을 알았기 때문에 새로운 용기 개발도 추진하였다. 원점으로 돌아와서 다시 실적을 쌓아나갈 생각이다”

Q: 향후 계획은 무엇입니까?
“T2K실험이 잘 진행되고 있다. 확실도를 높이기 위해 계속적으로 데이터를 수집하여, 현재의 우주에서 물질이 반물질보다 많은 현상을 설명하는 ‘CP대칭성의 파괴’를 고정밀도로 관측하고 싶다. 또한 문부과학성의 학술연구 대형 프로젝트의 추진에 관한 ‘기본구상 로드맵 2017’에서 차세대 뉴트리노 검출기 ‘하이퍼-카미오칸데’가 선택되었다. 필요한 시설로서 30GeV의 가속기용의 새로운 전원을 도입한 건물을 건축하고 있다. 얻을 수 있는 성과는 물질이나 천체, 생명이 어떻게 생겨 났는가와 같은 지식으로 이어질 수 있다. 고강도의 양자빔을 이용하여 단시간에 발생하는 현상을 ‘새로운 눈’으로 관측하고 싶다”

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