연구개발 목표 및 내용 최종 목표 20세기 말에 발견된 chirped pulse amplification 덕분에, 레이저의 세기는 지금까지 비약적으로 상승해왔다. 이 추세라면 10년 후에는 레이저가 Schwinger limit를 돌파할 것으로 예상되며, 그땐 우주에서나 볼법한 초에너지 현상들을 실험실에서도 관측할 수 있으리라 생각된다. 특히, 그 중 radiation reaction(RR)이라고 불리는 현상은 1~2년 뒤의 레이저 세기로도 관측될 가능성이 있어서, 많은 실험자들의 관심을 받고 있다. 그러나, 한가지 문제는, 실험 장비의 발전에 비해 RR 이론의 발전이 많이 더디다는 것이다. 심지어, 그나마 있는 이론모델들은 모순적이거나 혹은 너무 복잡해서 실험에 적용되기에 다소 무리가 있다. 이대로면 정작 실험에서 RR이 관측되더라도, 그 결과가 제대로 분석되지 못하는 상황이 벌어질 수도 있다. 따라서, 이 연구에서는 곧 있을 RR 실험에 적용될 수 있는 '간단하면서도 좀 더 일반화된 무모순적인 RR 이론 모델' 개발을 목표로 한다. 처음에는 한 입자에 대한 RR 이론을 개발하고, 궁극적으로는 이를 다입자의 경우로 확장시킬 것이다. 그럼으로써 실제 플라즈마와 초강력 레이저의 상호작용을 설명하고자 한다. 전체 내용 Radiation reaction(RR)이란 입자가 광자를 방출하면서 느끼는 반작용을 의미한다. 따라서, 우선 한 하전입자가 임의의 상황에서 느끼는 RR을 이론적으로 기술하는 것이 첫번째 단계가 될 것이다. 이 연구에서는, 맥스웰 방정식을 통해 '로렌츠 수축이 일어나는 하전입자'의 전자기장을 계산하고, 결과적으로 그 입자가 느끼는 로렌츠 힘을 계산한다. 로렌츠 수축을 고려하는 것은 기존의 RR 연구와는 매우 다른 차별점으로써, 이 때문에 입자의 형태를 변화시키기 위한 에너지가 운동방정식에 추가되게 된다. 선행연구에 따르면, 이 추가된 항은 마치 입자의 유효질량이 더 커진 것처럼 보이게 하며, 결과적으로 이는 입자의 가속을 더욱 힘들게 만든다. 이러한 질량 증가는 RR에 의한 것으로 추정되는데, 기존의 RR이론에선 한번도 예측된 적이 없는 현상이다. 선행연구에서는 오직 등가속 운동하는 입자의 경우만 연구했으나, 이번 창의도전에서는 일반화된 운동을 하는 (수축된) 입자가 어떤 RR을 느끼는지를 집중적으로 조사해보았다. 특히 로렌츠 수축하는 입자 모델을 정확하게 수학적으로 정의했고, 이 입자의 일반적인 운동에 대한 RR을 계산하는 데 성공했다. 이렇게 얻어진 RR이 적용된 새로운 운동방정식은 기존의 이론이 제시했던 방정식보다도 무모순적이고 덜 복잡하다. 따라서 이번 과제의 목표였던, RR 실험을 위한 적절한 운동방정식이 얻어졌다. 연구개발성과 이 연구를 시작할 땐 어려울 것이라고 생각되었던 ‘로렌츠 수축하는 입자 모델’의 이론적인 정립이 이루어졌다. 이로써 일반적인 운동을 하는 수축하는 입자의 RR을 계산하는게 가능해졌고, 실제로 엄밀한 수학을 통해 이를 계산하는 데 성공했다(원래는 몇몇 특수한 운동에 대해서만 RR을 계산한 후 일반적인 RR을 추측하는 게 연구계획이었다.). 이렇게 계산된 RR을 운동량 보존식에 대입하여, 새로운 운동방정식을 얻는데 성공하였다. 일단 이렇게 얻어진 새로운 방정식은 기존의 이론과 조금 다르며, 이러한 차이에 의해서 기존의 이론이 내포했던 대부분의 문제가 해결되었다. 기존의 이론은 입자가 외부 필드 없이도 가속될 수 있는 가능성을 내포했고, 또한 재규격화라는 추가적인 가정이 있어야만 입자의 운동을 설명할 수 있었다. 그러나 새로 얻어진 방정식은 위의 문제에서 완전히 자유롭고, 더욱이 기존의 이론보다도 더 간단한 수식으로 표현된다. 즉, 이번 과제의 연구목표인 ‘실험에 사용될 수 있는 무모순적이고 더 간단한 운동방정식’을 얻어졌다. 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과 만약 완성된 이론이 RR 실험 결과를 제대로 설명한다면, 이는 100년 이상 이어진 고전전자기학의 RR 문제를 해결하는 것이 된다. 그 외의 부수적인 결과로써, 로렌츠 팩터(γ) 외에도 입자의 질량을 증가시킬 수 있는 또다른 팩터가 발견되었다. 로렌츠 팩터가 속도의 함수인 것과 달리, 새로운 팩터는 가속도의 함수로 나타났다. 이는 입자의 질량(관성)에 대한 개념을 확장시켜줄 것이다. 또한, 한 입자에 대한 이론 정립이 마무리되었으므로, 다입자 시스템에 대한 이론적 확장 가능성이 높아졌다. 현실의 RR 실험에서 한 입자만 다루는 것은 거의 불가능하므로, 다입자 시스템에 대한 RR 이론 정립이 필수적이다. 이번 연구결과는 다입자 시스템에서의 RR 모델에 대한 뚜렷한 시작점을 제시하므로, 추후 있을 다입자 RR이론 개발에 도움이 될 것이다. 더욱이, 이번 연구에서 사용된 방법론(맥스웰 방정식에서 특수한 입자모델을 고려한 후 전자기파의 RR을 계산)을 잘 활용하면, 아인슈타인 방정식을 통해 중력파에 대한 RR도 계산할 수 있을지도 모른다. 이는 우주에서 나타나는 매우 강력한 radiation을 설명하는 새로운 도구가 될지도 모른다. (출처 : 요약문 2p)
- 연구책임자 : 강태연
- 주관연구기관 : 포항공과대학교
- 발행년도 : 20230100
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