공부하고 정리하고

오늘은 정전기를 이용한 가속기 Van de Graaff 가속기를 알아보려고 합니다.

정전기

우리의 삶 속에는 정전기가 아주 깊숙이 들어와 있고 이를 모르는 사람도 없습니다.

겨울철에 니트를 입고 문을 잡으면 전기가 통한다는 사실을 우리는 삶의 체험으로 알고 있죠.
혹은 구름에서 땅으로 치는 번개도 이 정전기의 방전임을 알 수 있습니다.

이 번개가 치는 현상이 오늘 소개할 가속기의 원리와 똑 닮아 있습니다.

이러한 사실은 최근에 와서야 알게 된 것이 아닙니다. 고대 기원전 600년경에 탈레스에 의한 마찰전기 기술이 존재한다고 하니 이 존재를 깨달은 것은 정말 오래되었다는 것을 알 수 있습니다.

이 옛날부터 사람들은 이 전기라는 존재를 모으려고 노력을 했었지만 별다른 소득이 없었습니다. 머물러 있는 전기를 모으기라는 쉬운 일이 아니니까요.

그러한 여러 노력 끝에 나온 장치가 여러분들이 중학교 때 실험실에서 보았을 수도 있는 라이덴병입니다. 최초의 축전기죠.

그리고 그 후 시간이 흘러 클롱의 법칙과 옴의 법칙이 나오며 동전기라고 할 수 있는 오늘날 전류가 나오게 됩니다.
오늘날 말하는 전기는 일반적으로 동전기를 말합니다.

그렇다면 왜 정전기가 발생하는 것일까요?

간단하게 말하면 서로 다른 물질의 상호작용으로 발생합니다.

주기율표를 잠깐 보겠습니다.

이 주기율표에서 다른 것은 볼 필요가 없고 가로 기준으로 왼쪽에서 오른쪽으로 간다면 어떻게 될까요?
두번째 줄의 리튬, 베릴륨, 붕소, 탄소 순으로 진행이 되고 이들이 가지는 양성자수는 3개, 4개, 5개, 6개 이런식으로 가집니다.
양성자 순서 즉, 원자번호 순서대로 나열이 되어 있는 겁니다.
이때 전자는 양성자수와 동일한 수만큼 존재하게 되는데 이 점이 중요합니다.
왜냐하면 이 자연계에 존재하는 모든 것은 안정한 방향으로 진행이 되어집니다. 이 전자에서도 마찬가지입니다.
전자들은 양성자의 수만큼 존재하지만 각각의 가로줄마다 최대로 채워질 수 있는 전자의 수가 정해져 있습니다.

이는 파울리 베타원리와 양자수 개념을 이용합니다.

그런데 원자 기준으로 최대한 안정된 상태로 존재하려면 들뜬 전자가 있다면 안정시켜야 하고 혹은 거의 다 채워진 상태라면 더 채워서 안정되게 결합을 하려고 할 겁니다.
이러한 이유로 원소들은 가능한 한 전자가 부족한 상태에서 채워서 안정화가 되거나 혹은 버려서 안정화가 되는 방법을 선택하게 됩니다.

이런 이유로 상호작용이 일어나게 되는데 평상시에는 이러한 안정화를 위해 서로 상호작용을 통해 안정된 상태로 존재하려고 합니다. 이러한 이유로 원자보다는 분자로 존재하게 되는겁니다.

그런데 원자핵에서 멀리 있는 전자들은 비교적 탈출에 있어 용이하고 이를 에너지를 주어 들뜨게 해주면 비교적 쉽게 전자의 이동이 발생하게 됩니다. 그 방법은 마찰, 충돌 , 접촉 등의 대전현상을 이용하는 겁니다. 그런데 우리가 가속기에서 이용할 대전방법은 코로나 방전입니다.

코로나 방전은 높은 고전압을 걸어주었을 때 이 도체 주위의 공기 혹은 유체가 이온화 되면서 흐르지 않던 전기가 갑자기 흐르며 방전이 되는 현상을 말합니다.
갑자기 흐르는 만큼 흐르는 순간 스파크가 보이는 현상입니다.
이 코로나현상으로 전하는 순식간에 방전되면서 그 반대편으로 이동하게 됩니다.
일종의 번개처럼요.

Van de Graaff 가속기

그림에서 왼쪽 하단부터 설명하겠습니다.

Spray point가 코로나 방전이 일어나는 지점입니다.
이 부분에서 고전압을 걸어주어 모터구동 벨트를 방전시켜 줍니다. 즉, 벨트에 있는 전자를 빼앗아 양전하를 띄게 되는 벨트를 만들어 줍니다.
즉, 양전하를 가진 벨트를 spray points에서 계속적으로 만들어 줍니다.
이때 사용하는 벨트는 고무 재질입니다.
이 벨트는 모터에 의해 위쪽으로 올라가게 됩니다. 양전하를 공급하기 위해 이동시켜 주는것이죠.
그리고 거대한 구체의 속이빈 금속반구가 나타납니다.

이때 패러데이 새장의 효과를 가진 구조로 된 속이 비어있는 반구가 높은 전압이 걸렸다고 하더라도 벨트에 접촉만 시키면 벨트가 가진 양전하를 빼앗아 가져가게 됩니다.
이를 아이스페일 효과라고 하는데 두 금속구 사이에는 전하가 존재할 수 없고 전기장은 외부로 나가는 방향으로 생성되어 있기 때문에 반구에 전하가 지속적으로 쌓이는 원리입니다.
이러한 과정을 지속적으로 진행하다 보면 결국 이 반구에는 높은 고전압이 걸리게 됩니다.

이 뒤의 과정은 전에 소개한 콕크로프트-월턴 가속기와 같습니다. 직류형 방법인 것이죠.
그래서 양전하를 가진 입자를 가스방전관에 주입시켜 가속시키게 됩니다.

이 가속기는 콕크로프트-월턴 가속기보다는 높은 전압을 생성해냅니다.
콕크로프트-월턴 가속기가 ~KV의 전압으로 가속이 되었다면

요즘은 작은 값의 MV까지는 만들 수 있다고 합니다.

반데그라프 가속기는 몇 MV까지 만들 수 있고 이를 잘 유지한다고 합니다. 제가 본 참고자료에 의하면 1%의 분산정도 안의 값으로 일정한 고전압을 만들어 낸다고 합니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

가속기를 통해 최초의 핵변환을 성공한 콕크로프트-월턴 가속기에 대해 알아보고자 합니다. 

원리

직류형 가속기로서 전압차를 사용해 가속을 하되 축전기를 사용해 전압을 충전하고 이것을 합쳐 고전압을 생성해 가속을 하게 됩니다. 

위 그림에는 AC전압과 컨덴서, 정류 다이오드를 사용해 전압이 증폭되는 회로를 구성했으나 DC 전압과 스위치를 활용해 똑같이 가속을 시킬 수 있습니다. 제가 배우기로는 당시 가속기가 사용한 방법을 후자로 배웠던것 같은데 구글에 관련 이미지를 찾아보니 교류전원을 사용한거만 나오는군요.
그래도 결과는 동일합니다. 동일하게 DC 고전압을 output해주니까요.
그림이 교류인 관계로 해당 그림에 맞쳐서 설명하고 DC 전원의 경우를 잠깐 설명하고 넘어가겠습니다.
해당 그림에 있는 D1, D2, D3, D4를 기억합시다. 화살표 방향으로만 전류가 흐릅니다.

그림 왼쪽 기준으로 뒤에꺼 무시하고 D1이 전류가 흐르려면 D1이 가리키는 방향으로 전류가 흘러야겠죠? 즉, 전원기준으로 아래쪽이 +, 위쪽이 -가 걸리게 된다면 D1을 지나 축전기 C1을 지나는 회로가 구성이 됩니다. 이때 C1에 V가 충전이 됩니다.

이제 전류가 반대로 흐른다고 생각해봅시다. 전류가 반대로 되면 D1에는 전류가 흐르지 않습니다. D2에는 흐릅니다. 그럼 C1과 직렬을 이루게 된 C2에는 기존의 전원과 C1에 충전된 전압이 합쳐져서 두배로 들어오게 됩니다. 즉, 원래의 전압값에 두배가 되는 전압을 충전한거죠.

이 다음에는 다시 전류의 방향이 반대입니다. 다시 C1에 C2로 몰아준 전압이 충전이 됩니다. 그리고 C2에 있던 2V는 C3에 충전이 됩니다.
이다음에는 다시 C1이 C2를 충전하고 C3는 C4에 2V를 충전시켜줍니다.
결국에는 축전기를 4개 지나면서 기존의 전압을 4배 승압시켜주는 구조입니다.
조금 복잡하고 회로에 대한 이해가 필요합니다. 이제 쉽게 생각해보겠습니다.

DC전원을 사용하면 안 복잡하고 쉽습니다. 모든 축전기를 DC전원에 병렬로 연결해줍니다. 그리고 충전이 완료되면 모든 축전기들을 직렬로 바꿔주는 스위칭을 해줍니다. 그럼 축전기에 충전된 만큼 승압된 전압을 얻을 수 있습니다.
아주 간단하게 생각하면 멀티탭에 축전기를 다 꼽아서 충전시키고 순간적으로 연결된 축전기들을 직렬로 연결해 방전시킨다고 생각하시면 되겠습니다.

어쨌든, 결과적으로 고전압을 이런 방식으로 얻은 다음에 x-ray 발생기의 튜브처럼 방전관을 사용해 입자를 가속시킵니다.

당시, John Cockcroft와 Ernest Walton은 이러한 방식을 사용해 700keV의 양성자 가속기를 만들어 냅니다. 이 가속기가 Cockcroft-Walton 가속기입니다.
이들은, 700kV의 전압을 얻기 위해 DC전원을 사용한 가속기를 구성하였고 이를 위해서 고전압을 저장 할 수 있는 대형 축전기를 사용합니다.
그리고는 실험에 들어가게 됩니다. 이후 1932년 실험에 성공하게 됩니다.

이들은, 이 장치를 활용해 다음과 같은 반응을 만들어 냅니다.

이 반응은 리튬에 가속된 양성자를 조사시켜 2개의 알파입자(알파선)을 방출한 것으로 핵분열 반응 이었습니다. 리튬에 양성자를 넣어 두개로 쪼개놓은 반응이었죠.

이 반응은 최초의 핵반응이었습니다. 이들은, 이 핵반응을 발견한 공로를 인정받아 1951년 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

가속기란?

간단하게 말해서 입자를 가속시키는 장치를 말합니다.

중력, 강력, 약력, 전자기력 중에 전자기력을 사용해 가속을 합니다.

그렇다면 가속을 위해서는 무조건 전하를 띄는 입자를 사용해야 합니다.

그럼 이 필수조건에 의해 제외되는 입자가 있습니다.
바로 중성자 입니다. 그래서 중성자는 직접적인 가속이 불가능합니다. 다만, 가속된 고에너지의 하전입자로 인해 생겨나는 파쇄 중서자를 이용할 수는 있습니다.

가속 방법은?

가속 방법은 전위차를 이용하게 됩니다. 이 전위차라는 말은 전압과도 동일합니다. 

폭포에서 물의 높이가 높을수록 물이 떨어진 후의 운동에너지가 크고 물의 양이 많을수록 아래로흐르게 되는 물이 많아집니다. 전압과 전류도 똑같습니다. 전위차가 클수록 전압은 크고 에너지가 크게 되는 것이고 전류가 클수록 흐르는 전하의 양이 커지는 것이죠.

기본적으로 전하량 q를 가진 입자를 전압 V를 걸게 되면 생기는 에너지를 E=qV라고 쓸 수 있습니다. 

V가 커지면 당연히 에너지가 커지게 됩니다. 

따라서 높은 전압은 높은 에너지를 발생시킵니다.

결론은 ‘고전압이 필요하다’ 입니다. 그렇다면 고전압을 어떻게 걸어줄까요? 우리는 아주 높은 에너지까지 가속을 시킬 것이기에 매우 높은 전압을 필요로 합니다.

우선, eV 단위부터 먼저 알아보겠습니다. 가속기에서는 이 eV, 전자볼트 단위를 많이 사용할 건데 1eV라는 것은 1개의 전자를 1V의 전압차로 가속시켜 얻는 에너지를 말합니다.
1eV=1.6ⅹ10-19J 입니다. 

다시 본론으로 돌아와 고전압을 얻는 방법은 직류형과 교류형으로 나뉘어 집니다.

직류형은 DC 전압을 걸어주어서 전하를 띤 입자를 그대로 가속시키는 방법입니다. 이 방법은 106 eV 까지는 가속이 가능하나 그 위로는 힘듭니다. 왜냐하면 높은 전압을 걸어주기 위해서는 강한 전기장과 긴 거리차가 필요하기 때문에 기술적으로 한계가 존재합니다. 또한 일정 이상의 고전압을 걸어주게 되면 공기절연파괴현상이 일어나기 때문에 고전압을 걸어주는데 한계가 있습니다.

다음 방법은 교류형입니다. 교류형은 가속되는 입자에 동일한 전압을 걸어주되 전압의 부호를 주기적으로 바꿔서 지속적으로 높은 전압으로 가속이 되는 방법으로 106eV이상의 전압을 만들 때 사용합니다. 앞의 직류형과 비교해서는 더 적은 공간을 필요로 하는 장점이 있습니다. 이 방식을 사용하면서 가속길이를 직류형 대비 많이 줄일 수 있어 포항 방사광가속기의 경우에는 150m의 가속기 길이에도 GeV의 빔을 얻을 수 있습니다. 

지난 포스팅의 MR신호를 발생시키는 과정까지의 내용을 이어 이번 포스팅에서는 대표적인 라디오파 펄스를 걸어주는 방법을 소개하고자 합니다.

하나의 펄스만 주고 끝내는 것이 아닌 펄스를 여러 번 주게 되는데 명암대비 좋은 영상을 만들기 위해서 다양한 펄스연결을 주게 됩니다.
오늘은 이 펄스연결방법을 소개합니다.

90°-90° 펄스연결

자화도가 횡축자화도가 되도록 만들어주는 펄스를 90°펄스라고 하는데 이펄스를 일정한 반복시간 TR이후 90°펄스를 다시 걸어주는 방식입니다.
이때 관측되는 신호의 세기는 이 TR시간에 비례하는데 TR을 길게 주었을때랑 짧게 주었을 때 생기는 영상이 차이가 있습니다.
두조직 A,B라는 조직이 있을 때 TR시간을 충분히 준 경우를 생각해보면 두조직간의 회복시간의 차이에 의한 신호차이가 발생하지는 않습니다. 즉, TR이 길어버리면 횡축자화도로 기울었던 자화도가 종축자화도로 돌아오는데 조직간의 차이가 존재하더라도 충분한 시간을 준다면 모두 회복한다는 이야기 입니다.
그럼 이때는 두조직간의 차이를 구분짓는 방법은 유일하게 양성자의 수 즉, 핵스핀의 수로 결정이 됩니다. 그래서 양성자의 밀도에 비례하게 되는데 이러한 영상을 얻는 방법을 양성자밀도 강조영상이라 합니다.
반면, TR을 충분히 길게 주지 않는다면 두조직중에 이완시간의 차이가 있을 때 TR이 짧아 어느 한 조직은 다 회복했는반면 한 조직은 회복중인 상황이 있을 수 있습니다.
즉, 이 차이로 인해 얻은 신호의 차이로 명암차가 발생하고 이를 구분짓는 인자가 T1이완시간이므로 T1 강조영상이라 합니다.

역회복 펄스연결

이름에서 느껴지듯이 앞의 90°펄스와는 달리 180°펄스를 걸어주게 됩니다. 이렇게하면 종축자화도는 정자기장의 반대방향으로 바뀌게 됩니다. 그리고 펄스가 없으면 다시 원래의 방향으로 돌아옵니다. 이때 일정시간후에 다시 90°펄스를 걸어서 MR신호를 검출합니다.
이때의 180°-90°펄스의 시간차를 TI(Time of Inversion)라하고 이 시간을 종축자화도가 모두 0이되는 시간에 맞추어 90°펄스를 걸어주게 되면 모두 횡축자화도로 전환되어 있기 때문에 나오는 MR신호가 0이 됩니다. 이러한 방식을 사용하면 특정조직에서 발생하는 신호를 없앨 수 있습니다. 대표적인 활용은 지방의 신호 억제에 광범위하게 사용한다고 합니다.

스핀에코 펄스연결

역회복 펄스와는 반대로 90°-180°펄스를 걸어주는 방법입니다.
90°펄스를 주었다가 사라지면 동위상이 깨지면서 횡축자화도가 없어지는데 이때 180°펄스를 걸어주면 종축자화도의 반대방향으로 힘을 주기 때문에 180°펄스를 걸어주고 일정시간후에 다시 횡축자화도를 형성하며 MR신호를 발생시킵니다. 이를 스핀에코 신호라고 합니다.
90°-90°펄스는 T1이완시간의 차이와 양성자밀도차이를 이용한 반면, 90°-180°펄스는 T2이완시간 차이도 고려한다는 특징이 있습니다.

경사자기장

펄스연결을 통해 명암차이를 얻는다고 해도 이 신호의 근원지를 알지 못한다면 제대로 된 진단을 하기에는 어려움이 있을 겁니다.
경사자기장이 없다면 발생하는 MR신호는 발생대상의 각 부분에서 나오는 신호들을 모두 합한 신호가 될 겁니다.
그래서 구별을 위해 경사자기장이라는 정자기장과 자기장의 세기가 다른 자기장을 걸어주게 됩니다.

여기에는 x,y,z방향에 따라 3종류의 경사자기장이 있습니다.
각각을 진동수인식 경사자기장(Gx), 위상인식 경사자기장(Gy), 단면결정 경사자기장(Gz)라고 합니다. 첫번째로 z방향의 단면결정 경사자기장을 살펴보겠습니다.

단면결정 경사자기장

정자기장의 z축 방향으로 위치에 따라 변하는 자기장을 말합니다.
정자기장과 이 자기장을 걸어준 상태에서 라디오파를 걸어주게 되면 정자기장에 의해 동일한 핵스핀 진동수를 가졌던것과 다르게 경사자기장에 의해 z방향에 따라 걸리게 되는 자기장이 두 자기장의 합으로 인해 달라지게 됩니다.
이렇게 되면 z방향으로 변함에 따라 공명이 되는 진동수가 다르게 되고 라디오파를 걸어주었을 때 공명조건에 차이가 생기게 됩니다.
이렇게 되면 특정 라디오파에 대한 결과가 특정 단면의 값만 보여주게 됩니다.
하지만, 걸어주게 되는 라디오파가 하나의 진동수만 가지는 것이 아니라 진동수폭을 가지므로 결과도 특정 단면이 아니라 특정 영상폭을 보여주게 됩니다.
그런데 이 영상폭은 단면결정 경사자기장의 z방향에 따른 변화가 클수록 영상폭이 얇아집니다.
즉, 경사자기장의 변화량 정도로 영상의 폭 단면 두께를 조정할 수 있습니다.

이 방법을 사용해서 우리는 하나의 단면을 결정할 수 있게 되었습니다.
하지만, 아직까지는 MR신호가 어디서 나오는지 구별할 수는 없습니다.
이를 구별하기 위한 자기장이 진동수인식 경사자기장과 위상인식 경사자기장입니다.

단면결정 경사자기장에 의해 하나의 영상 단면을 얻은 상태에서 여기서 나오는 MR신호의 위치값을 알기위해 영상단면을 여러 개의 조각으로 나뉜 복셀로 존재하고 이 복셀에서 나오는 MR신호를 읽어야 합니다.

그런데 하나의 단면이 있다고 했을 때 여기서 나오는 MR신호는 구별이 안됩니다. 하나의 단면에 나온 핵스핀들은 모두 동일한 진동수로 회전하고 있기 때문입니다.

그래서 우선 위상인식 경사자기장을 걸어주어 y방향으로 자기장의 변화가 생기는데 한쪽은 정자기장이 작아지도록 한쪽은 커지도록 걸리도록 하고 중간은 그대로 걸리게 된다면 핵스핀들이 가지는 진동수들이 차이가 생깁니다.

이러한 위상차가 발생했을 때 여기서 진동수인식 경사자기장을 걸어줍니다. 이 자기장은 x방향으로 걸어주어 핵스핀의 진동수가 차이나게 만들어 줍니다. 이렇게 하면 각 복셀이 내는 신호가 주변과 달라져 신호가 구별이 됩니다.

자기장이 걸리는 순서

어떻게 라디오파를 걸어주냐에 따라 다르겠지만, 단면을 결정짓기 위해 Gz를 걸어주고 Gy, Gx를 걸어주어야 합니다.

결과

결과적으로 얻은 MR신호는 그대로 사용하지는 못합니다. 여러 진동수를 가진 신호의 합이므로 이 신호를 진동수에 대한 Fourier 변환을 사용해 각 신호들을 구별해줍니다.

NMR : 전자의 에너지 궤도 불연속성과 제만효과
공명현상을 통한 핵자기공명현상
MRI의 기본원리를 알아보자1
MRI의 기본원리를 알아보자2
MRI의 기본원리를 알아보자3 
MRI의 기본원리를 알아보자4

<수정>

저번 포스팅인 NMR과 공명현상에서 소개한 내용 중에 잘못된 점이 있어 수정하고자 합니다.
이때 포스팅에서 사용한 이미지를 잠시 다시 보겠습니다.

여기서 보면 아래쪽의 업스핀이 (-) 핵자기 모멘트를 가지고 위쪽의 다운스핀이 (+) 자기 모멘트를 가진다고 제가 소개를 했었습니다. 그런데 이것은 전자에만 해당되는 이야기입니다. 전자와 부호가 반대인 반면 양성자에서는 이와 반대입니다. 즉, 자기모멘트 방향이 스핀 방향과 동일하다는 이야기입니다.
그래서 전에 소개한 내용은 전자에만 해당하는 내용이고 양성자(수소핵)의 경우에는 업스핀은 (+) 자기모멘트 다운스핀은 (-) 자기모멘트를 가진다는 점을 강조합니다.
이를 표현한 식을 보여드리고 본론으로 들어가도록 하겠습니다.

우리는 저번 시간까지의 과정을 통해 수소핵을 핵자기공명(NMR)현상을 이용하여 영상을 얻어낸다고 했습니다. 이 영상을 얻는 방법을 이해하기 위해 가장 먼저 이해해야 하는 이론은 자화도 개념이 되겠습니다.

자화도 벡터

자화도라는 것은 자화가 되어진 정도로 생각하시면 되는데 벡터라는 개념이 나옵니다.
여기서 벡터는 방향성을 나타낸다는 말인데 그럼 자화도 벡터는 방향성을 나타내는 자화도라고 생각하시면 됩니다.
다시 전에 소개했던 핵자기공명현상을 떠올려봅시다.
균일한 자기장을 걸어주면 라모어 세차운동에 의해 핵스핀들이 동일한 진동수로 세차운동을 하게 된다고 했었습니다.

공명현상을 통한 핵자기공명현상(NMR)

그런데 동일한 진동수를 가진다고 했지 동일한 위상을 가지는 것은 아닙니다. 위상자체는 각각 제각각이게 됩니다. 이러한 위상차에 의해 각각이 만들어 내는 자기모멘트들은 위나 아래로 모두 동일하지는 않습니다.
이러한 자기모멘트값들을 벡터합을 하게 되면 전체 거시적 자화도 벡터를 얻게 됩니다.
하나의 예를 들어보겠습니다.
다른 방향을 바라보고 있는 여러 작은 자석들을 모아놓았다고 합시다.
이 작은 자석 하나하나는 자기모멘트를 가지고 있고 모두 동일하지는 않습니다.
그런데 이 작은 자석들이 모여있는 곳에서 나와서 멀리 나왔다고 합시다. 그리고 다시 자석이 있는 곳을 바라봅니다. 

그럼 이때 보기에 자기모멘트가 제각각으로 보일까요?
아닙니다. 보기에는 하나의 자석이 하나의 자기모멘트를 띤다는 것을 알 수 있습니다.
조금 더 쉽게 예를 들자면 하나의 그룹이 있다면 그룹 원들은 다 제각각 다른 소리를 내지만 결국에는 하나의 의견을 수렴해서 결론을 도출하게 됩니다. 하나의 목소리를 내는 것이죠.
이와 같이 자화도 벡터도 같은 개념입니다.

왜 그럼 우리는 이 개념을 보아야 할까요?
영상을 얻기 위해서 NMR현상을 이용해 방출하는 MR 신호를 분석해야 합니다.
그런데 이 MR신호는 단순히 하나의 정보만을 나타내는 것이 아닙니다. 무수히 많은 핵들이 방출하는 복합적인 신호를 분석하는 것이죠.
그렇기에 각각의 공명들이 내는 전체의 신호인 자화도를 기준으로 앞으로 분석할 것입니다.
그러니, 앞으로 설명하는 이 자화도가 하나의 핵스핀이 만들어 내는 것이 아닌 단위표적당 내는 신호라고 생각해주시면 됩니다.

종축자화도와 횡축자화도

종축자화도는 자기장의 방향과 평행한 자화도를 말하며 횡축자화도는 자기장의 방향과 수직한 자화도를 말합니다.
자기장이 걸렸을 때 자기장방향과 동일한 자기모멘트를 가진 업스핀을 가진 핵자가 주를 이루고 몇몇 핵자가 다운스핀을 가지며 반대방향을 가르킵니다. 그래서 위상들의 차이가 존재하게 됩니다.
그런데 이때 라디오파를 걸어주어 업스핀을 가진 핵자들을 공명시켜주게 됩니다. 이때 동위상을 가지게 되면 자화도 벡터의 방향이 변화하게 됩니다. 

그런데 자기장의 방향과 수직이 되도록 자화도를 가질 때를 횡축자화도라고 합니다.
보통 MRI 영상을 얻기 위해서는 이 횡축자화도인 90° 펄스또는 완전 뒤집혀있는 180° 펄스를 얻어서 사용하게 됩니다.

라디오파

전자기파중에 주파수대역이 라디오파 대역에 있는 경우를 말합니다.
가장 긴 파장을 가지는 영역이며 수백 Hz에서 수백만 Hz까지의 다양한 주파수가 있습니다.

그리고 공명을 걸기 위해 수소핵과 동일한 진동수를 필요합니다.
예로 1T의 자기장을 걸어주는 영상장치에서는 42.57MHz의 라모어 진동수를 가지며 1.5T의 경우는 64MHz의 라모어 진동수를 가지게 됩니다.
이 주파수 영역들은 우리가 듣는 FM라디오 영역때의 주파수들입니다. 그래서 외부 FM라디오파라는 노이즈를 줄이기 위해 MRI장치는 전자기파를 차폐시켜주는 장치를 필요로 합니다.

거시적 해석

MRI에서는 펄스를 주입해 순식간에 공명을 일으킵니다.
이를 거시적 관점에서 보면 전자기파인 라디오파를 주입시키면 전자기파에서 자기장 영역이 자화도에 영향을 주어 토크(돌림힘)를 가하여 이 자화도의 방향을 바꿔준다고 생각하시면 됩니다.
이 자화도의 변화하는 정도는 라디오파의 자기장에 의존합니다.

즉, 자기장을 걸어주어 주파수를 부여해준 상태에서 얼마나 강한 라디오파를 걸어주냐에 따라 이 자화도가 변화하는 정도가 달라집니다.

앞서 설명한 라디오 펄스는 순간적인 파동입니다.
라디오 펄스는 다양한 주파수가 섞인 순간적인 전자기파를 방출해내는 건데 이를 활용한다고 했죠?
앞서 소개한 포스팅에서는 이완시간이라는 개념을 언급하면서 자화도가 공명으로 변화한 후에 원래 윗방향으로 향하던 자화도의 방향이 변화함에 따른 시간차이를 분석에 활용한다고 했습니다.
하지만, 한 번 라디오파를 걸어준다고 원하는 값을 얻는 것은 아닙니다. 원하는 방향으로 자화도가 형성되기 위해서는 반복적으로 이 과정을 수행해야 하죠.
그렇기에 펄스를 일정한 시간(반복시간)을 두고 발생하는 방법으로 규칙적인 라디오파를 걸어줍니다.

이완시간

라디오파 펄스를 주고 나서의 상황을 보겠습니다.
라디오파에 의해 자화도는 변화했고 위상은 같아졌습니다.
그런데 이를 유지하지 못합니다. 강제적인 변화였고 그 외력이 없다면 원래의 상태로 돌아가려 합니다.
그래서 두가지 측면에서 다시 돌아갑니다.
첫번째로 높은 에너지준위로 올라간 수소핵들이 다시 낮은 에너지 준위로 내려갑니다. 이때 자화도의 방향은 원래의 방향인 위쪽, 종축자화도로 바뀌게 됩니다.
두번째는 동위상이 깨집니다. 라디오파에 의해 같은 위상으로 정렬했었지만 다시 원래의 자기장 방향으로 정렬하게 됩니다.
여기서 전자와 후자는 종축자화도 회복과 횡축자화도 소멸에 각각 작용하며 결과적으로는 동일한 결과를 불러오는데 작용합니다.
하지만, 각각 지칭하는 용어가 있습니다. 전자는 T1 이완시간 후자는 T2 이완시간입니다.
각각에 대해서 간략하게 설명하겠습니다.

T1 이완시간

종축자화도가 회복되는데 걸리는 시간을 말합니다. 다른 말로 스핀-격자 이완시간이라고도 합니다.
그런데 이 이완시간은 수소핵들이 여기되었다가 다시 원래 에너지 레벨로 돌아오는 과정인데 여기되었을때 주변의 같은 진동수를 가진 분자가 주변에 존재한다면 이에 대한 상호작용으로 더 빨리 에너지를 잃습니다.
즉, 회복하는 시간이 주변 물질이 무엇이냐에 따라 달라지는 것이죠.
그래서 순수한 물이 가장 오래 걸리는 한편 지방은 빨리 회복된다고 합니다.

T2 이완시간

횡축자화도가 사라지는데 걸리는 시간을 말합니다. 다른 말로 스핀-스핀 이완시간이라고도 합니다.
펄스가 사라지고 계속 걸려있던 자기장에 의해 공명으로 동위상이 되었던 진동수가 정렬 방향에 따라 차이가 나면서 동위상이 깨지는 현상이 발생합니다. 그리고 이로 인해 사라지는 횡축자화도의 소멸시간입니다.
이는 T1 이완시간보다 빠르게 진행이 됩니다.

MR신호

미시적으로는 핵의 여기와 회복으로 발생하는 에너지를 신호로 방출해내는 것이지만, 거시적으로 보았을 때 결국, 자화도의 변화가 발생한다는 것을 알 수 있습니다.
그래서 이 신호를 받아오기 위해 rf coil을 사용해 수신되는 전자기파의 변화를 측정합니다.
이 신호를 FID 신호라고 하는데 자유유도감쇠신호라고 합니다.

정리하자면

라디오파 펄스를 순간적으로 주어 공명을 유도하고 펄스가 사라졌을 때 다시 원래 상태로 회복하면서 발생하는 자화도의 변화를 신호로 검출하는데 이 신호를 FID신호라고 한다.

 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

MRI는 (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging이며 (핵)자기공명영상장치라고 합니다. 핵이 생략된 이유는 핵이라는 말 자체가 사람들에게 안 좋은 느낌을 주기 때문에 생략했다고 합니다.
그래서 원래는 NMRI라고도 합니다.

원리

가장 기본적인 원리는 핵자기공명현상을 이용하게 됩니다.
이는 고자기장을 걸어주었을 때 발생한 핵자의 공명진동수와 동일한 진동수를 가진 라디오파를 주어서 공명을 시키는 현상입니다.

이 공명이 되는 핵자는 우리의 인체를 구성하고 있습니다. 그렇기에 공명의 대상은 인체가 되는데 인체의 대부분은 무엇으로 이루어져 있죠?
바로 물입니다. 사람 체중의 70% 정도가 물인데 이 물은 H2O라는 분자로 이루어져 있습니다. 그리고 하나의 물분자당 2개의 수소가 있음을 알 수 있습니다.
즉, 인체 내부에는 아주 많은 수소가 있고 곳곳에 존재한다는 이야기입니다.
그렇기에 우리는 MRI를 사용했을 때 이 수소핵을 공명시키도록 만들어 줍니다.

그런데 기본적으로 수소핵들은 자기모멘트들을 가지고 각각의 자기모멘트에 의해 전체적인 자화도를 가집니다. 이 자화도가 공명시에 변화했다가 원래로 돌아오는 이완시간의 차이로 영상의 명암을 얻게 됩니다. 이것이 전체적인 MRI의 원리입니다.

MRI장비

MRI의 주요장비는 크게 4부분으로 구분할 수 있습니다.

• 정자기장을 생성해내는 자석
• 경사자기장을 만들어내기 위한 자석장치
• 공명을 유도할 라디오파 송신장치와 MR신호(결과신호)를 측정할 수신장비
• 신호를 분석 처리하여 영상화하는 컴퓨터
  로 구성이 됩니다.
  

장점과 단점

장점을 먼저 생각해보자면 다른 영상장치(X-ray, CT, PET, Gamma-Camera)들은 방사선을 방출하고 이를 검출하는 방법을 사용하는데 반해 MRI는 방사선을 검출하는 방법을 사용하지 않아 방사선 피폭에 대한 걱정을 할 필요가 없습니다.
또한 일반적인 CT같은 경우 뼈로 둘러싸인 신체 부위는 영상을 찍는데 어려움이 있으나 MRI는 이러한 부위에 대해서 효과적입니다.

또한 CT와 같은 장비가 잘 구별해내지 못하는 근육, 인대, 뇌 신경계, 종양구별에 좋습니다.

(약 1T가 지구자기장의 2만배정도의 세기이고 MRI장비마다 걸어주는 자기장은 차이가 있습니다)

하지만 단점도 존재합니다.

우선 촬영시간이 긴 편이고 밀폐된 통에 들어가 있기 때문에 폐쇄공포증 환자에게는 촬영이 힘듭니다. 또한 고자기장을 on/off해주면서 큰 소음이 발생합니다.
그리고 균일하고 강한 정자기장을 걸어주기 위해서 초전도체 자석을 사용하고 이를 유지하기 위해 많은 비용이 듭니다.
또한 강한 자기장 때문에 잔딘 시 금속 보형물을 사용한 상태로 사용하면 화상을 입을 수 있습니다.

하지만 요즘에는 MRI에 반응 안 하는 보형물을 사용하여 MRI진단이 가능하도록 한다고 합니다.

앞으로

 다음과 같은 순서로 원리에 대해 알아보고자 합니다. 

• 자화도 벡터 개념
• 이완시간과 반복시간
• MR신호
• 여러방법의 펄스 얻기
• 경사자기장을 이용한 위치값 부여

전자의 에너지 궤도 불연속성과 제만효과

핵의 주위를 돌고 있는 전자는
불연속적인 에너지 궤도를 가진다.

→ 이를 양자화 되었다고 합니다.

불연속적으로 하나의 궤도씩 여러 개가 존재하는 것으로
설명했으나 자연계에 존재하는 여러 가지 방해(힘)로
하나의 궤도가 아닌 갈라짐이 생긴다.

→ 이를 섭동이 있다고 설명합니다.

이러한 갈라짐 중에 자기장에 의한 갈라짐이 발생하고
이 갈라짐이 스핀이 다운스핀이면 더 여기된 상태로
업스핀이면 더 낮은 에너지 상태로 갈라지게 됩니다.

→ 이러한 효과를 제만효과라 합니다.

마지막으로 자기장이 높을수록 비교적 안정된 상태인
아래쪽 에너지 준위에 더 많은 전자가 가게 됩니다.

→ 볼츠만 분포에 따릅니다.

적용

저번 시간에 소개한 전자의 에너지 궤도 불연속성과 전자가 가지는 고유의 스핀을 기억해봅시다. 이는 전자에만 해당하는 내용이 아닌 핵자에도 해당이 되는 내용입니다. 각각의 핵자도 에너지가 양자화되어 있고 고유의 스핀을 가지게 됩니다.

공명

공명현상은 아마도 다들 한 번 이상은 들어보셨을 거라고 생각합니다.
초등학교때 한쪽의 소리굽쇠를 울리면 그 옆의 소리굽쇠가 따라 울리는 실험을 하신 분이라면 공명을 직접 느껴보신 겁니다.

공명현상은 외부에서 일정 진동자를 가진 파동이 들어왔을 때 외부에서 들어온 진동자와 자신이 가지고 있는 진동자가 동일할 때 즉, 진동수(주파수)가 같을 때 진폭이 증폭이 되는 현상을 말합니다.

왜 지금 이 공명현상을 설명할까요?
왜냐하면, 공명현상이 NMR 분광기와 (N)MRI의 핵심이기 때문이죠.
공명을 하는 대상은 바로 핵자입니다.
핵자마다 고유의 진동수를 가지기 때문에 우리는 외부에서 전자기파(라디오파)를 주어 공명을 시킬 수 있습니다.!!!! 이것이 핵심원리입니다. 모두 기억합시다.!

라모어 세차 운동

그럼 어떻게 진동수라는 것을 가질까요?
이를 설명해주는 이론이 라모어 세차 운동입니다.
관찰력이 좋으신분들이라면 혹시 알아채셨을 수도 있는데 스핀방향을 나타내는 그림들을 보면 올곧게 있는 그림은 없다는 사실을 알 수 있습니다. 약간씩 다들 누워있죠. 지구의 자전축처럼요.
이렇게 살짝 기울어져 있을 때 외부 자기장(자연계에 존재하는)을 수직 방향으로 받게 되면 빙글빙글 돌게 됩니다. 자기장과 스핀으로 인해 생긴 자기모멘트로 인해 돌림힘을 받기 때문이죠.

이러한 이유로 일정한 속도를 가지고 돌게 되죠.
공식을 간단히 적어보면 아래처럼 적을 수 있습니다.

식의 과정은 살펴볼 필요 없이 결과식만 봐주시길 바랍니다.
결과식에서 자기장(B)이 높아지면 진동수(v)가 커짐을 볼 수 있죠?
그렇다는 것은 높은 자기장을 걸어주면 높은 공명진동수를 가진다! 라는 것을 알 수 있습니다.
그래서 높은 자기장을 걸어주게 되면 그만큼 공명을 위한 높은 전자기파를 필요로 하게 됩니다.

공명 과정

이제 마지막으로 핵의 공명과정에 대해서 살펴보겠습니다.
외부에서 일정한 자기장을 걸어줍니다. 그렇게 되면 제만효과에 의해 에너지 궤도의 갈라짐이 생기게 되죠. 이때 업스핀이 아래에 다운스핀이 위에 가 있습니다. 이 상태에서 외부에서 아래 궤도에 있는 핵자의 공명진동수와 동일한 진동수를 가진 라디오파를 걸어주게 됩니다.

그럼 아래 궤도에 있던 업스핀을 가진 핵자가 공명을 하며 다운스핀으로 바뀌며 위의 궤도로 올라가게 됩니다. 그리고 이내 에너지를 잃으며 다시 안정화가 되죠. 다시 업스핀으로 돌아옵니다. 이때 안정화가 되며 잃은 에너지를 신호로 분석하게 됩니다.
즉, 라디오파를 사용해 공명을 하여 업스핀 → 다운스핀 → 업스핀으로의 과정에서 방출하는 에너지가 물질 대상에 따라 다른 점을 분석하는 것이 MRI와 NMR의 핵심이라고 할 수 있겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

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에너지 궤도의 불연속성

원자는 양성자와 중성자로 이루어져 있는 핵이 중심에 존재하고 그 주위를 전자가 돌고 있는 구조입니다. 이때 전자는 원운동을 하면서도 전자기파를 발생시켜 에너지를 잃어버리는 행위를 하지 않고 안정적으로 핵 주위를 돌게 됩니다. 이렇게 되는 이유는 보어의 원자 모델로 설명이 되는데 전자의 궤도가 양자화되어 불연속적으로 존재하기 때문입니다.

전자의 궤도는 불연속적으로 여러 개 존재한다..!! 

그리고 핵과 가까운 궤도일수록 바닥상태 즉, 에너지가 낮은 상태입니다.

이렇게 불연속적으로 존재하는 전자는 가장 가까운 궤도부터 K껍질, L껍질, M껍질, N껍질이 존재하고 각 궤도마다 채워질 수 있는 전자의 개수는 주양자수, 궤도양자수, 자기양자수, 스핀양자수에 따라 최대로 채워질 수 있는 개수가 정해집니다.

그리고 파울리 배타원리에 의해 같은 양자수를 가진 전자가 나타날 수 없다는 점을 알아야 합니다. 즉, 전자의 경우는 업스핀과 다운스핀이 있고 존재할시 업업 혹은 다운다운의 묶음이 아닌 반드시 업다운 혹은 다운업과 같이 다른상태로 존재해야 합니다.

제만 효과(Zeeman Effect)

각각의 에너지 궤도에는 파울리 배타원리에 의해 업스핀을 가진 전자와 다운스핀을 가진 전자가 존재합니다. 그러니까 무조건 업스핀을 가진 전자와 다운스핀을 가진 전자가 같이 존재하는 겁니다.

이때 우리는 이 물질에 일정한 자기장을 걸어준다고 합시다.

그러면 동일한 상황에 있던 전자들은 자기장에 의해 정렬이 됩니다. 그러면서 무작위로 있던 업스핀과 다운스핀들의 묶음이 정렬이 됩니다.

그런데 불연속적인 에너지 궤도가 이때 갈라지는 현상이 발생합니다.
하나인 줄 알았던 에너지 궤도가 자기장에 의해 두개의 선으로 갈라지게 된 겁니다. 

이를 제만효과(Zeeman Effect)라고 합니다.

사실 실제로도 하나의 궤도는 아닙니다.. 여러 효과로인한 보정이 필요합니다.

이 갈라짐은 동일한 궤도 선상에 있던 전자가 업스핀과 다운스핀에 의해 생긴 각각의 자기 모멘트가 있는데 외부 자기장에 의해 하나는 같은 방향이라서 더 강해지고 하나는 상쇄되는 영향을 받게 됩니다. 그래서 방향이 같은 경우는 상대적으로 더 들뜬 방향인 위쪽 방향으로 궤도를 형성하고 반대 방향의 경우는 상대적으로 더 안정된 밑쪽 방향으로 궤도를 형성합니다.
이때 아래쪽에 존재하는 전자가 업스핀 위쪽에 존재하는 전자가 다운스핀을 가집니다.
그러니까 간단히 말하면 “자기장의 영향을 받아 에너지 궤도가 두개로 갈라진다. 그리고 전자의 스핀 상태에 따라 분류가 된다.” 입니다.

그럼 이 갈리지는 상태에서 더 아래쪽에 있는 즉, 더 안정된 상태에 있는 전자와 더 위에 있는 전자는 존재함을 확률로써 나타냅니다.
그러니까 위에 있을 확률이 30%고 아래에 있을 확률이 70%라면 100개의 전자가 있으면 30개가 위에 그리고 70개가 아래에 대략 존재하겠죠. 이런 식으로 분포의 정도를 확률로 나타냅니다.

그런데 이 분포는 볼츠만 분포라는 분포를 따릅니다.

종 모양의 분포인데 이 분포에 의해 계산을 해보면 외부 자기장이 강할수록 아래쪽에 위치하는 전자가 더 많아집니다.
그런데 앞으로 NMR에 대해 보다 보면 아시겠지만 아래쪽에 위치하는 전자가 많을수록 NMR의 감도는 증가합니다. 그래서 높은 자기장을 걸어주는게 좋습니다.

지금까지의 내용을 정리해보겠습니다.
전자는 핵과 가까운 위치부터 에너지가 낮은 여러 에너지궤도를 가진다.
이 궤도는 하나씩 불연속적으로 존재하는 것으로 보이나 자기장을 걸어주면 갈라짐이 발생한다.
이때 갈라졌을 때 높은 자기장을 걸어줄수록 더 안정적인 궤도에 존재하는 전자가 많아진다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

자연계를 이루는 모든 기본입자들은 기본 고유량을 가지고 있습니다.
전하량과 스핀 그리고 질량을 가지고 있습니다. 이중에 질량은 어떻게 생기게 되는지 궁금했습니다. 질량은 왜 다른 것인지 어떻게 생겨나는 것인지 말입니다.
이를 설명해주는 것이 힉스입자이고 CERN에서 입자가속기를 통해 찾아내었습니다.
그래서 오늘은 힉스에 대해서 간단히 알아보고 어떻게 찾아내었는지도 간략히 알아보겠습니다.

힉스란?

137억년 전 우주 탄생 당시 모든 물질에 질량을 부여해준 입자입니다. 그래서 신의 입자라고도 불립니다.

이 힉스입자는 힉스장을 형성합니다. 광자가 전자기력장을 형성하는 것처럼요.
이 힉스장과 상호작용을 강하게 하는 물질일수록 많은 질량을 부여받습니다. 여기서 상호작용을 강하게 한다는 것은 물질이 이동을 할 때 더 많은 저항을 받는다는 이야기입니다.

우리가 아는 이야기로 한다면 뉴턴의 운동법칙인 F=ma를 떠올려보죠. 질량이 높을수록 더 많은 힘을 필요로 합니다. 즉, 이동을 시키는데 더 많은 힘이 드는 것이죠.
이러한 것처럼 힉스장을 통해 상호작용을 한 정도로 입자들은 질량을 부여받습니다.

그렇다면 질량이 없는 입자는?
힉스장과 상호작용을 하지 않는 것이죠.

LHC 가속기를 통한 검출

여기서 사용되는 입자가속기도 앞으로 제가 아는선에서 간단하게 설명을 할 예정입니다. 하지만 오늘의 주제에서 약간 벗어나는 만큼 간단히 사용되는 가속기의 과정만 설명하겠습니다.

처음에 양성자와 같은 입자를 선형 가속기를 사용해 booster시켜 가속을 조금 시켜줍니다.
이때 중성자와 같이 전하가 중성인 입자는 사용할 수 없습니다.
가속기는 전자기력을 이용해 가속시키기 때문입니다.
그런데 이 선형가속기로는 한계가 있고 더 높은 에너지까지 가속을 위해서 단계적으로 가속을 시켜줍니다. 싱크로트론이라는 링모양의 가속기를 통해서 말입니다.
이 가속기는 반경이 클수록 더 높은 에너지로 가속을 시킬수 있습니다. 그래서 순차적으로 더 반경이 큰 가속기를 사용해 가속을 시키고 마지막으로는 반경이 27km인 LHC를 통해 7TeV라는 테라 크기의 에너지까지 가속을 시킵니다.

그리고 반대편에서는 똑같이 7TeV의 에너지를 가진 양성자를 보내 부딪히게 하고 붕괴 당시에 나오는 입자들을 검출기를 통해 검출하도록 합니다. 여기에는 여러 검출기들이 있지만 ATLAS와 CMS가 대표적이고 CMS 검출기가 힉스입자 발견을 해내게 됩니다.

여담으로

여기서 검출기는 대형 검출기이고 매우 복잡합니다. 기본적으로 붕괴 시 발생하는 입자들을 검출해내기 위해서는 매우 정밀하고 예민한 상호작용을 해주어야 합니다. 그렇기에 수많은 검출기들이 달려있는데 이중 우리나라에서 뮤온 검출기를 제작해서 CMS검출기에서 현재 사용 중이라고 합니다.

한가지 명심해야하는 것이 입자를 가속한다고 해서 1개의 입자만 가속한다고 생각하면 안됩니다. 그렇게 하는 것이 불가능하기도하고 결과값을 얻어내기도 힘들겁니다. 그래서 한번에 많은 입자들이 가속이 됩니다. 그런데 가속되서 붕괴입자가 나온다고 모든 데이터를 다 읽을수 있을까요?
아닙니다. 초창기에는 검출기에 1011개의 충돌 데이터가 들어온다고 하면 여기서 1개정도의 데이터를 얻었다고 합니다. 현재는 20~30개 정도의 데이터를 얻을 수 있다고 하니 많이 정밀해졌습니다.
그래서 1초에 4000만번정도 충돌을 시키고 이중에 300~400개의 데이터를 얻어와 분석을 한다고 합니다.

여기까지 읽으셨으면 오늘의 주제인 힉스와 무슨 상관이 있는지 이해가 잘 안되실 겁니다.
사실 가속기소개를 건너뛰고 여기서부터 읽어도 됩니다. 앞의 내용은 힉스입자를 발견하기위한 도구에 대한 간략한 설명일뿐입니다.
이 입자가속기에서 힉스를 확인하는 방법은 다음과 같습니다.
(저도 왜 이러한 과정으로 발생하는지 모릅니다. )
총 14TeV에 해당하는 에너지의 충돌로 붕괴하기 시작한 양성자에 쿼크와 글루온이 직접적으로 상호작용을 하고 있습니다.
(쿼크는 표준모형이 뭐지?)
(글루온은 힘의 근원은 뭘까?) 에서 설명하였습니다.

이때 두개의 글루온이 순간적으로 강한상호작용을 하여 힉스입자를 만들어 냅니다.
이 힉스입자는 단계적으로 붕괴하여 광자와 뮤온을 방출하게 되고 이를 검출기를 통해 검출합니다. 이때 발생하는 과정은 에너지보존과 운동량보존을 따르므로 역으로 계산을 할수있게 됩니다.

위와 같은 식에 따릅니다. 이때 계산된 질량은 불변질량이라 합니다.

이 세상에 존재하는 모든 입자들의 질량은 우리가 파악을 하고 있습니다. 이를 불변질량분포를 통해 그래프로 나타내었을 때 만약 위에서 구한 식에 따라 구한 질량이 불변질량분포와 다르다면?
즉, 그래프에서 공명이 나타나면 다른입자임을 의심할 수 있습니다. 이러한 과정을 통해 힉스입자의 존재를 규명했습니다.
하지만, 검출은 매우 까다롭다고 합니다. 100억번 충돌시 1번정도 나올정도의 가능성이라고 하니 매우 까다롭다는 것을 알수 있습니다.

힉스입자를 발견해내었지만 아직 입자물리는 갈길이 많습니다. 아직 설명이 안되는 현상이 많기 때문입니다. 대표적인 해결해야할 문제들은 다음과 같습니다.

• 힉스입자는 자신에게 질량을 부여하고 그럴경우에 매우 높은 질량을 가진다는 문제가 존재합니다. 이 문제를 해결하는 방법이 대칭성을 가진 여러 개의 힉스입자가 있을것으로 생각되어 집니다.
• 중성미자들은 상호작용으로 전자뉴트리노에서 타우나, 뮤온 뉴트리노로 바뀔수 있습니다. 이를 위해서는 중성미자가 질량이 존재해야할 것으로 생각이 되는데 이를 검출하기 위해 노력중에 있습니다.
• 암흑물질과 암흑에너지에 관해서 예전에 (유령 같은 존재들 : 암흑물질과 암흑에너지를 알아보자)에서 소개했었는데요. 암흑물질과 암흑에너지에 대한 확인이 필요합니다.

위 문제들을 언젠가는 알게 되는날이 오겠죠? 힉스입자처럼 언제가는 발견이 되거나 새로운 이론이 등장할 것입니다. 이번 포스팅까지해서 입자에 대해서 알아보았는데요.
입자물리에 대해 제대로 공부해본적이 없기에 포스팅에 앞서 여러 정보를 찾아보고 쓴다고 썼지만 한계가 많음을 느꼈습니다. 그래도 끝까지 읽어주셔서 감사드립니다.

힘의 근원에 대해서 생각해본 적이 있으신가요?
우리가 사는 이 세상은 가장 기본을 이루는 입자들의 조합으로 이루어지고 있다고 우리는 알았습니다.
-세상을 이루는 물질
-표준 모형이 뭐지?

그렇다면!! 이 가장 기본을 이루는 입자들은 어떻게 이렇게 저렇게 모여서 태양을 만들고 지구를 만들고 사람을 만들었을까요?

도자기 만들기 체험을 가서 도자기를 만들었다고 생각해봅시다. 우린 도자기라는 한 물체를 진흙을 이용해 탄생시켰습니다. 이때 이 진흙들이 도자기로 탄생할 수 있도록 우리는 열심히 힘들게 만들었겠죠? 이때 진흙이 입자라면 도자기로 만드는 과정에 우리는 힘을 이용해 에너지를 부여한 것입니다. 이 세상에 뭐 하나 손쉽게 되는 일이 없죠. 저지르는 것은 쉽지만요.

마찬가지입니다. 자연계의 가장 기본 되는 입자들은 상호작용을 하는 힘을 부여받습니다. 여기서 힘은 중력과 강력 그리고 약력 마지막으로 전자기력이 있죠. 그런데 이 4가지 힘을 부여하는 것 또한 입자가 합니다. 한 번 알아보겠습니다.

기본적인 힘

가장 기본적인 힘은 4가지가 있습니다. 전자기력, 중력, 강력, 약력이 있습니다. 이 4가지 힘으로 세상에서 생기는 힘이 설명이 됩니다. 하나씩 알아보죠.

중력

중력은 친숙한 힘이죠? 어느 누구나 어느 물건이나 중력의 영향을 받고 살고 있으며 우주선이 그 많은 연료를 소모해가면서 우주로 나가는 이유도 이 중력을 이겨서 탈출하기 위해서이죠. 중력은 뉴턴의 만유인력 법칙으로 설명이 되며 현대에 와서는 뉴턴의 이론보다 더 나아가 아인슈타인의 일반 상대론으로부터 나온 중력장이론을 사용해 설명합니다. 이 중력은 우주영역에서의 눈으로 관측가능한 거의 모든 현상을 지배한다고 할 수 있으며 이 중력이 매우 커서 생기는 블랙홀도 존재하게 됩니다. 이 중력을 매개하는 입자는 중력자라고 생각이 되어지고 있고 아직 직접적인 검출은 하지 못했습니다. 대신 중력파를 검출했었죠. 검출이 힘든 이유는 현재의 검출기에서의 검출방식은 검출기와 대상의 상호작용으로 결과를 얻어내는 것인데 이러한 방식의 한계가 있을 수 있고 혹은 검출이 되고 있지만 잡음에 묻혀서 알아내지 못하고 있는 것일지도 모릅니다. 하지만 중력파를 통해 간접 증명했듯이 중력을 매개하는 입자가 중력을 부여하는 것으로 생각이 됩니다.
하지만 이 중력은 4가지의 힘 중에 가장 약합니다. 이것보다 강한 힘이 존재하기 때문이죠. 실제로 미시 세계서는 무의미한 힘이 돼버립니다.

강력

강력은 자연계의 4가지 힘 중에 가장 강력한 힘입니다. 하지만 상호작용하는 범위는 아주 짧습니다. 만약 중력처럼 멀리서도 작용하는 힘이었다면 이 세상은 또 달랐겠죠. 우주가 생기지 못했을지도 모르지요. 하지만 이 강력은 핵 안에서 정도의 거리에서만 작용이 됩니다. 이 강력을 매개하는 입자는 글루온이라는 입자로 쿼크들의 결합을 매개하게 됩니다. 이렇게 쿼크들의 결합을 매개하여 양성자와 중성자를 만들어내게 됩니다. 참고로 양성자와 중성자가 결합해 만들어진 핵은 핵력에 의해서 강하게 상호작용을 합니다. 과거 쿼크의 존재를 모를 때는 강력이 곧 핵력으로 생각되었지만 지금은 쿼크의 존재가 알려진 만큼 구별해서 사용합니다.

약력

약력은 이름에서 알 수 있듯이 약한 상호작용입니다. 그럼 약할까요? 아닙니다. 중력보다 강합니다. 이 약력은 W 보존과 Z 보존의 상호작용으로 발생하게 됩니다. 제가 방사선 이야기를 하면서 자주 등장하던 베타 마이너스, 플러스 붕괴가 이 약력으로부터 발생하게 되는 결과입니다. 베터붕괴는 중성자가 전자 하나와 양성자로 바뀌거나 또는 양성자가 에너지를 받아들여 중성자가 되거나 하게 됩니다. 이 베타붕괴를 일으키는 힘이 곧 약력입니다.

전자기력

전자기력은 익숙하실 겁니다. 클롱힘이나, 맥스웰 방정식으로 설명을 해왔던 힘입니다. 일상에서 우리가 보는 TV나 휴대폰 각종 전자기기들이 작동하는 원동력입니다.
또한 기본적으로 물분자를 생각했을 때 각각은 전자기력으로 상호작용을 하죠? 공유결합을 생각하시면 됩니다. 마찬가지로 우리몸의 세포들이 모여있게 된것도 이 전자기력에 의한 힘이라 할 수 있습니다. 그럼 여기서 생각 되는 것이 중력보다 전자기력이 크다고 했는데 만약 작다면? 어떻게 될까요… 저희는 없을지도 모릅니다.
어쨌든, 이 전자기력은 광자에 의해 힘을 부여받습니다. 이 광자는 질량이 없습니다. 그렇기 때문에 장거리에서도 상호작용이 가능합니다.

이 4가지 힘은 각각이 매우 중요하며 우리의 세상을 지배합니다.
그래서 물리학과에서는 각각의 힘에 대해서 중력은 고전역학을 통해, 전자기력은 전자기학을 통해서 그리고 강력과 약력은 양자역학, 핵물리, 입자 물리에서 다루게 됩니다.

그만큼 4가지 힘을 아는 것이 중요한 것이죠. 다음 시간에는 마지막으로 힉스입자에 대해서 조금 소개해볼까 합니다. 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”