요약:
유럽 핵 연구 센터(CERN)는 LHC(대형 강입자 충돌기)의 가장 중요한 업그레이드 라운드를 공식적으로 시작했습니다. 최초의 자석 연결이 끊어지면서 세계 최대 입자가속기는 분해 및 교체 단계에 돌입해 '고휘도 대형 강입자 충돌기'(하이루미 LHC)의 미래 시대를 여는 기틀을 마련했다.
대형 강입자 충돌기는 길이가 27km로 프랑스와 스위스의 지하 국경을 둘러싸고 있습니다. 쌍극자 자석, 사중극자 자석, 육극자석, 팔극자석 및 십극자 자석을 포함하여 수천 가지의 다양한 유형의 초전도 자석이 내부에 배치됩니다. 이 자석은 입자 빔을 안내, 제어 및 압축하는 중요한 작업을 공유합니다.
가장 중요한 장비 유형은 '내부 3극 자석 세트'입니다. 이는 대형 강입자 충돌기의 4가지 주요 실험 장치 양쪽에 설치된 3개의 4중극자 자석으로 구성됩니다. 그 임무는 입자가 탐지기에 들어가서 충돌하기 전에 입자 빔을 가능한 한 작은 범위로 압축하는 것입니다.
입자 빔이 더 촘촘하게 압축될수록 충돌 가능성이 높아집니다. 이러한 충돌이 발생하는 빈도를 "밝기"라고 합니다. 입자 물리학 실험의 경우 밝기가 높을수록 더 많은 데이터를 얻을 수 있어 과학자들이 우주의 가장 기본적인 물리 법칙을 더 깊이 연구하는 데 도움이 됩니다.
미래의 고휘도 작동 목표를 달성하려면 기존 내부 3극 자석을 보다 강력한 차세대 장치로 교체해야 합니다. 이번 작전은 3차 장기정지정비계획(LS3)의 핵심사업 중 하나다.
이번 달 엔지니어링 팀은 첫 번째 자석 연결 세트를 차단하여 자석 교체 작업의 공식 시작을 알렸습니다. CERN 사무총장인 마크 톰슨(Mark Thomson)도 이 중요한 노드를 목격하기 위해 ATLAS 실험 구역이 위치한 LHC의 첫 번째 지점으로 특별 여행을 떠났습니다.
사업 계획에 따르면 향후 대형 강입자 충돌기에는 저온 유지 장치 시스템 16개와 극저온 부품 28개가 설치될 예정입니다. 새로운 사중극자 자석 중 첫 번째는 2029년 초에 터널로 운반되어 설치될 것으로 예상됩니다.
이번 업그레이드의 가장 큰 특징은 차세대 초전도 자석 기술입니다.
현재 작동 중인 내부 3극 자석은 주로 니오븀-티타늄 초전도 물질을 사용하는 반면, 향후 새로운 장비는 더욱 발전된 니오븀-주석 초전도 코일을 사용할 예정입니다. 이 소재를 활용하면 신형 자석은 기존 장비보다 약 40% 더 높은 최대 11.3테슬라의 자기장 세기를 생성할 수 있다.
자기가 강해지면 입자 빔이 더욱 압축되어 충돌 빈도가 크게 높아질 수 있습니다. 이것이 고광도 대형 강입자 충돌기 프로그램의 핵심 목표입니다.
설계 지표에 따르면 업그레이드된 시스템을 통해 ATLAS와 CMS의 두 가지 주요 실험이 현재 단계보다 훨씬 더 많은 데이터를 얻을 수 있게 될 것입니다. 앞으로 몇 년 안에 연구자들은 이 데이터를 사용하여 힉스 보존의 특성을 보다 정확하게 측정하고, 암흑 물질의 징후를 검색하고, 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리적 현상을 탐구하기를 희망합니다.
모든 실험 영역에서 내부 삼극 자석을 교체해야 하는 것은 아니라는 점은 주목할 가치가 있습니다.
ALICE와 LHCb 실험은 ATLAS 및 CMS와 연구 목표 및 운영 방법이 다르기 때문에 기존 내부 삼극자 자석은 계속 유지됩니다. 그러나 이러한 실험은 향후 전반적인 밝기 개선을 최대한 활용하기 위해 계속해서 개선될 것입니다.
9월 초부터 엔지니어링 팀은 ATLAS 및 CMS 근처의 대형 가속기 구성 요소를 점차적으로 해체했습니다. 이번에 철거된 장비에는 업그레이드 사업에 참여한 노심의 3극 시스템을 포함해 초전도 자석 28개가 포함됐다.
CERN은 이번 업그레이드가 대형 강입자 충돌기 역사상 가장 복잡한 대규모 개조 프로젝트 중 하나라고 밝혔습니다. 해체 작업이 공식적으로 시작됨에 따라 인류가 힉스 보손을 발견하는 데 도움을 준 이 과학 장치는 점차 고휘도의 새로운 시대로 나아가며 향후 수십 년 동안 기초 물리학 연구에 더욱 강력한 실험 능력을 제공하게 될 것입니다.
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