만약 과학자들이 매우 높은 에너지의 양성자를 생성하는 데 성공한다면, 암 치료를 위해서 양성자와 같은 하전 입자를 소형 레이저 가속기와 함께 사용하는 것이 가능할 듯 싶다. 드레스덴-로젠도르프 연구센터(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR)의 과학자들은 고전력 레이저 DRACO의 빛을 수직방향으로 얇은 금속 포일에 비스듬히 비춤으로써, 가속된 양성자가 레이저 빛의 방향을 따르는 것을 처음으로 입증했다. 이 새로운 데이터와 레이저 입자 가속을 설명하는 기존의 모델에 통합함으로써, 지금까지 실현되지 않았던 고에너지 양성자가 이루어질 전망이다. 이 결과는 Nature Communications에 발표되었다.

고전력 레이저 DRACO의 강렬하고 매우 짧은 광 펄스는 그 원판의 지름이 약 10센티미터이며, 두께는 보통의 종이 정도이다. 만약 이들 레이저 원반 중 하나가 얇은 금속 포일에 초점을 맞춘다면, 그 강렬하고 높은 전기와 자기력은 음전하 전자를 포일 밖으로 밀어낼 것이다. 이러한 전자들은 양전하 전자를 포일의 표면으로부터 가속한다. 지금까지, 많은 전문가는 상용화된 레이저 시스템이 미래의 암 치료 프로그램에 적합하지 않다고 생각했다. 왜냐하면, 그것들은 매우 짧은 레이저 펄스를 가지고 있고, 이 레이저로부터 가속된 양성자로부터 얻어진 에너지는 상대적으로 너무 낮기 때문이다. HZDR의 연구진에 의해 발표된 이 결과는 암 치료를 위해 필요한 양성자 에너지가 그러한 단펄스 레이저로부터 생성될 수 있다는 것을 처음으로 원론적으로는 입증했다. 이러한 가능성은 드레스덴 연구진이 입자 가속 과정을 매우 면밀히 연구할 수 있는 동기를 유발했다.

얇은 금속 포일을 수직으로 비추는 DRACO 레이저의 광 펄스는 이전의 모델이 예측했던 것처럼, 포일의 표면에 수직으로 전자나 양성자를 가속한다. 그러나 비스듬한 광 펄스에 관한 것은 이것만이 아니다. 만약 얇은 빛 원반의 각도가 전파하는 축 쪽으로 약간 기울어졌다면, 입자 가속의 첫 단계 동안 예기치 못한 일이 발생한다. 전자는 빛 원반의 회전을 느끼고, 빛이 포일에 부딪치는 방향으로 따라가게 된다. 또한, 양성자도 이 방향을 따라 가속하지만, 전자와는 달리 그들의 방향을 계속 유지한다. 이 지향성 의존성에 관한 새로운 연구는 드레스덴 연구진이 근본적인 가속 과정을 직접 연구하는 데 도움을 준다.

“첫 번째 가속 단계 동안, 전자와 포일 사이의 거리는 매우 작다. 일단 짧은 광 펄스가 그것들을 포일 쪽으로 밀어내면, 포일이 양전하를 가지고 있기 때문에, 전자들은 즉시 다시 되돌아간다. 우리는 전자가 광 펄스의 움직임을 따라가고, 양성자 또한 이전에는 알지 못했던 지향성 의존성을 나타낸다는 것을 발견하고 매우 놀라웠다.”라고 대학원생이자 이 논문의 주요 저자인 Karl Zeil이 말했다. 그는 또한 초단 광 펄스에서만 일어나는 매우 놀라운 기능을 연구하고 있다. 이것의 초기 단계는 전체 가속 동안 중에서도 매우 중요하다. 처음 30 펨토초 동안, 이 가속은 매우 효율적이다. 이 짧고 효율적인 가속 단계후 좀 더 긴 확장단계가 뒤 따른다. 이 때 균일하고 대칭적인 플라즈마 구름이 형성된다. 그러나 이 양성자는 첫 단계 동안 매우 많은 에너지를 얻게 되어, 기존의 모델이 예측했던 것보다 더 높은 에너지를 가지는 것으로 판명되었다.

이렇게 빠른 전자가 포일 주변을 어떻게 진동하는지, 그리고 양성자를 어떻게 가속하는지에 대한 정확한 연구는 시뮬레이션을 이용하여 HZDR의 연구진이 계속 조사하고 있다. “실험과 시뮬레이션은 서로 매우 일치한다. 새롭게 얻은 데이터를 가지고, 우리는 기존의 모델들에 이 연구를 확장하고 있다. 이것은 본질적으로 DRACO 레이저와 같은 초단 광 펄스가 상당히 높은 에너지로 미래의 암 치료에 사용될 수 있는 양성자를 생성하는 것이 잠재적으로 가능하다는 것을 보여 주었다. 이러한 결과를 성공적으로 성취함으로써, 우리 연구진은 매우 기쁘고 동기 부여가 된다.”라고 Karl Zeil이 말했다.

DRACO 레이저는 펄스 폭이 30 팸토, 150테라와트의 피크 파워에 이른다. 이것은 전 세계 모든 전력 발전소의 출력과 같다. 드레스덴 연구소의 레이저 물리학자들은 DRACO 레이저를 500테라와트까지 확장하길 원하고 있으며, 현재 PENELOPE라고 불리는 페타와트 레이저 시스템을 구축하고 있다. 현대의 가속기 기술로써, 레이저 광을 이용한 입자 가속은 기존의 시스템과 비교해 볼 때, 상당한 장점을 보여 준다. 이 가속 거리는 훨씬 더 짧아졌으며, 시스템 비용 또한 잠재적으로 더 낮다. 현재, HZDR과 협력하고 있는 대학 병원과 독일 방사선 종양센터(OncoRay center), 그리고 드레스덴 공과 대학(TU Dresden) 등은 대학 병원 내에 현대적 양성자 치료 설비를 구축하고 있다. 이 새로운 설비는 암 연구와 치료에 쓰일 계획이다. 처음으로 선보인 고성능 레이저의 프로토타입은 기존의 양성자 가속기와 함께 이곳에서 가동될 것이다.

그림) 고성능 레이저와 소형 양성자원은 미래의 암 치료에 사용될 수 있는 매우 유망한 자원이다. DRACO 레이저를 이용하여, HZDR의 물리학자들은 최초로 첫 번째 가속 단계 동안에 양성자가 매우 효율적으로 에너지를 흡수할 수 있다는 것을 보였다.