요약:
유럽 핵 연구 기구인 CERN은 대형 강입자 충돌기(LHC)의 다음 업그레이드를 위해 차세대 초전도 자석을 개발하고 있습니다. 새로운 재료와 제조 공정을 사용하는 이 자석은 테스트에서 11.3테슬라의 자기장 강도에 도달했으며 미래의 고휘도 대형 강입자 충돌기의 중요한 부분이 될 것입니다.
대형 강입자 충돌기는 매우 강력한 자기장을 사용하여 입자 빔을 제어함으로써 입자가 빛의 속도에 가까운 속도로 이동하고 충돌할 수 있도록 하여 과학자들이 물질의 기본 구성을 연구하는 데 도움을 줍니다. 현재 LHC는 한 번의 실험으로 초당 약 4천만 회의 충돌을 수행할 수 있으며, 각 충돌에 관련된 입자 수는 약 60개입니다. 충돌 빈도와 입자 수를 지속적으로 증가시킴으로써 과학자들은 희귀 입자와 이전에 관찰되지 않은 물리적 현상을 보다 효과적으로 검색할 수 있습니다.
CERN이 추진하고 있는 업그레이드 프로젝트의 다음 단계는 고광도 대형 강입자 충돌기(High-Luminosity LHC)로, 2030년 이후 새로운 실험이 시작될 것으로 예상됩니다. 업그레이드 이후의 목표는 초당 약 4천만 번의 충돌 빈도를 유지하면서 각 충돌에 관여하는 입자 수를 140~200개로 늘리는 것입니다. 소위 '고휘도'란 단위 시간당 더 많은 입자 충돌이 발생할 수 있어 희귀한 물리적 현상을 발견할 확률이 높아진다는 사실을 의미합니다.
이를 달성하려면 충돌기에는 더 강한 자기장을 갖춘 작고 안정적인 자석이 필요합니다. 기존의 LHC 쌍극자 자석은 니오븀 티타늄(NbTi) 초전도 코일을 사용하며 자기장 강도는 8.3테슬라에 도달할 수 있으며 이는 지구 자기장 강도의 약 166,000배입니다. 그러나 니오븀-티타늄 재료의 성능은 달성할 수 있는 자기장 강도의 상한에 가깝기 때문에 차세대 사중극자 자석에서는 니오븀-주석(Nb₃Sn) 초전도 재료를 사용하기 시작했으며 목표 자기장 강도는 12테슬라에 가깝습니다.
이 기술 업그레이드가 직면한 주요 어려움 중 하나는 니오븀-주석 재료가 기존의 니오븀-티타늄 재료와 완전히 다른 기계적 특성을 갖는다는 것입니다. 니오븀-티타늄은 연성이 좋고 초전도 물질을 형성한 후 구부리고 감을 수 있습니다. 니오븀-주석은 매우 취약하며 일단 초전도 단계가 형성되면 코일 권선 과정에서 발생하는 큰 기계적 응력을 견딜 수 없습니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구진은 'Wind-and-React'라는 제조 공정을 채택했습니다. 간단히 말하면, 아직 최종 초전도 상이 형성되지 않은 물질을 코일 형태로 감은 후, 고온 열처리를 통해 니오븀과 주석이 반응하여 최종적으로 니오븀-주석 초전도 물질이 형성되는 것이다.
특정 제조 과정에서 연구팀은 먼저 760m 길이의 초전도 케이블을 사용해 중앙 프레임에 감아 길이 약 7.2m, 구멍 150mm의 코일 세트를 형성했다. 그런 다음 코일은 엄격하게 제어되는 열처리를 위해 불활성 가스 환경에 배치됩니다.
열처리 과정은 며칠 동안 지속되며 온도가 순차적으로 상승해 일정 기간 섭씨 210도, 400도 정도에 머물다가 최종적으로 섭씨 650도 정도에 이른다. 이 과정이 끝나면 케이블의 니오븀과 주석이 화학적으로 반응하여 초전도 특성을 지닌 니오븀-주석 화합물을 형성합니다.
니오븀 주석 소재는 형성 후 매우 약하기 때문에 이후 코일 취급 시 각별한 주의가 필요합니다. 과도한 굽힘이나 기계적 변형은 초전도 물질을 손상시키고 자석의 전기적 성능과 구조적 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.
열 처리가 완료된 후 연구원들은 또한 액체 에폭시 수지를 사용하여 코일을 처리하여 수지가 내부 공극, 균열 및 틈을 채울 수 있도록 한 다음 단단한 폴리머 구조로 응고시켜 코일의 기계적 안정성을 향상시킵니다.
이 제조 프로젝트는 CERN 자석 엔지니어 Susana Izquierdo Bermúdez가 이끄는 약 60명으로 구성된 팀이 이끌고 있습니다. 그녀는 2012년부터 새로운 자석의 연구 개발에 참여해 왔으며, 코일 권선 테스트, 전자기 설계, 기계 설계, 제조 및 성능 검증 등의 업무를 담당하고 있습니다.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity에서 발표한 연구 결과에 따르면, 그들은 LHC 업그레이드 프로젝트를 위해 4.5m 길이 자석용 코일 120개 이상, 7.2m 길이 자석용 코일 70개 이상을 제작했습니다. 각 사중극자 자석에는 4개의 코일이 필요합니다.
전체 프로젝트를 통해 250개의 코일이 생산되었으며, 그 중 25개는 제조 과정에서 사람의 실수와 전기적 또는 기계적 성능 결함으로 인해 품질 요구 사항에 실패했습니다. 연구진은 이러한 유형의 초전도 자석은 극도로 높은 제조 정밀도를 요구하며 아주 작은 결함이라도 전체 코일을 사용할 수 없게 만들 수 있다는 점을 지적했습니다. 권선과 보호 부품 사이에 금속 입자가 끼어 작동 성능에 영향을 미칠 수 있는 것으로 의심되어 폐기해야 했던 코일이 있었습니다.
올해 9월 팀은 7.2미터 길이의 자석에 대한 품질 관리 테스트를 완료했으며 최대 자기장 강도가 11.3테슬라에 도달했음을 확인했습니다. 자석은 현재 좋은 성능을 발휘하고 있으며 연구원들은 향후 LHC 업그레이드 프로젝트의 요구 사항을 충족하기 위해 예비 코일과 자석을 계속 제조하기 시작했습니다.
이 성과는 단순히 더 높은 자기장 수치를 추구하는 것이 아니라 CERN이 니오븀 주석 초전도 물질을 실험실 연구 개발부터 대규모의 엄격한 품질 관리 엔지니어링 제조 단계까지 발전시켰음을 의미합니다. 고휘도 대형 강입자 충돌기의 경우, 더 강한 자기장은 연구자들이 입자 빔을 더 효과적으로 제어하는 데 도움이 될 것이며, 충돌기는 주어진 공간 내에서 더 높은 입자 충돌 능력을 달성할 수 있게 하여 2030년 이후 입자 물리학 실험을 위한 핵심 인프라를 제공할 것입니다.
이 연구는 2026년 9월 24일 "IEEE Transactions on Superconducting Application"에 게재되었습니다. IEEE Spectrum은 11월 10일 보고서를 업데이트하여 각 실험에서 입자 충돌 횟수를 수정했습니다.
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