신을 쫓는 기계, LHC

The God Particle Hunting Machine, LHC

‘힉스입자’를 처음 발견한 장치는

무엇일까요?

바로 스위스와 프랑스 국경 지대 지하 100m에 위치한 대형강입자충돌기(Large Hadron Collider, LHC)입니다. CERN이 50억 유로를 들여 건설하였으며, 자그마치 길이가 27km에 달하는 터널입니다. LHC에는 ATLAS, CMS, ALICE, LHCb라 불리는 4개의 주요 검출기가 설치되어 있으며, 각각의 검출기는 가속튜브 안에서 양성자들이 충돌하여 나오는 새로운 입자나 현상을 관찰합니다.

LHC의 목적은 인류가 확인할 수 없었던 초기 우주를 이해하는 것입니다. 이러한 노력의 일환으로 2012년 7월 힉스입자의 존재를 입증하였습니다. 이 발견으로 이론의 주창자인 피터 힉스(Peter Higgs, 1929~)와 프랑수아 앙글레르(François Englert, 1932~)는 2013년 노벨 물리학상을 수상하는 영광을 얻었습니다.

What was the first

device that discovered

the 'Higgs particle'?

It is a Large Hadron Collider (LHC) located 100m below the border between Switzerland and France. LHC is equipped with four major detectors called ATLAS, CMS, ALICE, and LHCb. Each detector observes new particles or phenomena caused by protons colliding in the accelerator tube.

The purpose of the LHC is to understand an early universe that mankind could not identify. As part of these efforts, the existence of Higgs particles was proved in July 2012.

그래서 힉스입자는 어떻게 발견됐나요?

2012년 7월 4일 CERN에서는 호주에서 개최될 제36회 국제고에너지물리학회의 개막에 앞서 ‘특별 세미나’를 제네바 연구소에서 진행한다고 발표하였습니다. 많은 물리학자들은 이러한 CERN의 발표에 궁금증이 증폭되었습니다. CERN은 ATLAS와 CMS 실험에서 각각 125GeV의 질량 영역에서 새로운 입자를 관찰했다고 발표하였습니다. 이 입자는 힉스입자와 일치하지만, 표준모형에 의해 예측된 힉스입자가 맞는지 아닌지를 증명하기 위해서는 더 많은 데이터가 필요했습니다. 추가적인 실험을 진행하고 나서야 2013년 3월 18일, 공식적으로 힉스입자가 발견되었다고 발표할 수 있었습니다.

LHC 속 입자이야기

양성자는 거의 진공상태의 튜브 내부에서 전기장에 의해 가속되는데 원형 고리를 유지하기 위해 무려 10,000여 개의 초전도 전자석이 가속기를 따라 설치되어 있습니다. 양성자들은 양성자 다발의 형태로 가속되며 각 다발은 1,000억 개가 넘는 양성자들로 구성되어 있습니다. LHC에는 2개의 가속기 튜브가 나란히 설치되어 있으며 각 튜브에는 양성자들이 반대방향으로 가속됩니다. 이렇게 반대방향으로 가속된 양성자 다발들이 빛에 가까운 속도로 서로 충돌하게 되면서 수많은 입자들이 만들어지게 되는데 이 입자들을 측정하는 장치가 입자검출기입니다.

Particles in the LHC

Protons are accelerated by an electric field inside a vacuum tube, with as many as 10,000 superconducting electromagnets installed along the accelerator to maintain a circular ring. Protons are accelerated in the form of proton bundles, each of which is made up of over 100 billion protons. In the LHC, two accelerator tubes are installed side by side, in each tube, protons are accelerated in opposite directions. As the proton bundles accelerated in the opposite direction collide with each other at a speed close to light, numerous particles are created. The device that measures these particles is a particle detector.

2008년 9월 10일 첫 번째 빔의 날, “Let the adventure again!”

역사적인 2008년 9월의 열 번째 날, LHC의 가동이 시작되었습니다. 현지시각 오전 10시 28분에 스위치가 켜졌고, 얼마 지나지 않아 하나의 섬광이 모니터에 나타났는데,

고에너지 양성자가 원형 고리를 따라 27km를 날아온 것입니다. 20년 동안 쏟아 부은 노력의 결과가 눈앞에 드러나는 순간이었습니다.

그러나 기쁨도 잠시, 같은 날 오후 3시 또 하나의 양성자 빔이 고리 속 반대방향으로 보내졌는데 그 직후 심각한 문제가 발생하였습니다.

2개의 초전도자석 사이에 있는 전기버스가 설치 9일 만에 단락되어 전기불꽃이 발생하면서 초전도 전자석용 액체헬륨 저장장치에 구멍이 생긴 것입니다.

이 사고로 LHC 터널에 기체헬륨이 유출되었으며, 후속파열이 발생해 자석 52개가 망가지고 양성자 튜브에 그을음까지 생겼습니다.

결국 발생한 문제점을 해결하고 수리하기 전까지 가동을 연기하는 수밖에 없었고, LHC는 2009년 11월이 되어서야 재가동에 들어갈 수 있었습니다.

LHC 이후,
미래의 입자 가속기

2019년 CERN에서는 LHC의 후계자가 될 초대형 입자가속기 건설에 대한 계획을 발표하였습니다. 미래 가속기(Future Circular Collider)는 90억 유로 이상의 건설비가 투입되는 초대형 프로젝트로 현재 LHC와 맞닿은 위치에 건설이 되며 길이는 100km에 달합니다.

미래 가속기의 목적은 100Tev 이상의 양성자 빔 에너지 출력을 통해 새로운 입자를 검출하고 연구하는 것입니다. 또한, LHC를 통해 힉스입자의 존재는 증명하였지만 그 성질이나 힉스입자 간의 상호작용에 대해서는 지금으로써는 측정이 불가능하기 때문에 앞으로의 미래 가속기에서 이러한 것들을 밝혀낼 수 있을 것이라 물리학자들은 기대를 하고 있습니다.

After LHC, Future

Circular Collider

In 2019, CERN announced plans for the construction of an ultra-large particle accelerator that will become the successor to LHC. The Future Circular Collider is a very large project with a construction cost of more than 9 billion euros and is currently being built in a position facing the LHC and is 100 km long.

The purpose of the Future Circular Collider is to detect and study new particles with a proton beam energy output of more than 100TeV. In addition, although the existence of Higgs particles has been proved through LHC, its properties and interactions between Higgs particles cannot be measured at this time. That's why physicists look forward to discovering these things in future Circular Collider.

역사적인 2008년 9월의 열 번째 날, LHC의 가동이 시작되었습니다. 현지시각 오전 10시 28분에 스위치가 켜졌고, 얼마 지나지 않아 하나의 섬광이 모니터에 나타났는데,

고에너지 양성자가 원형 고리를 따라 27km를 날아온 것입니다. 20년 동안 쏟아 부은 노력의 결과가 눈앞에 드러나는 순간이었습니다.

그러나 기쁨도 잠시 같은 날 오후 3시, 또 하나의 양성자 빔이 고리 속 반대방향으로 보내졌는데 그 직후 심각한 문제가 발생하였습니다.

2개의 초전도자석 사이에 있는 전기버스가 설치 9일 만에 단락되어 아크가 발생하면서 초전도 전자석용 액체헬륨 저장장치에 구멍이 생긴 것입니다.

이 사고로 LHC 터널에 기체헬륨이 유출되었으며, 후속파열이 발생해 자석 52개가 망가지고 양성자 튜브에 그을음까지 생겼습니다.

결국 발생한 문제점을 해결하고 수리하기 전까지 가동을 연기하는 수밖에 없었고, LHC는 2009년 11월이 되어서야 재가동에 들어갈 수 있었습니다.