top of page
33.jpg
55.jpg

KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

  • 블랙 페이스 북 아이콘
  • 블랙 인스 타 그램 아이콘

인류가 만든 최고의 현미경, LHC

인류는 과연 얼마나 작은 것까지 볼 수 있을까? ‘현미경’은 육안을 통해 쉽게 볼 수 없는 물질들을 눈으로 보기 위해서 만든 도구이다. 기술이 발전할수록 우리는 더 작은 단위의 입자를 볼 수 있게 되었고 인류는 원자 수준을 넘어서 원자핵과 전자를 이루는 소입자들을 밝혀내려고 한다. 그렇다면 인류의 기술로 볼 수 있는, 또는 밝혀낸 가장 작은 입자는 무엇일까? 또, 그 입자들을 보기 위해서 어떤 장비와 원리와 기술을 사용하였을까? 이 기사에서는 힉스(higgs) 입자 등 가장 작은 단위의 입자와 원자 구성요소를 발견한 장치, 대형강입자충돌기(Large Hadron Collider)에 대해서 말해보고자 한다. 가장 작은 입자들의 구성요소를 밝혀내기 위해서 만들어진 기계이기 때문에 ‘현미경’이라는 설명을 붙였다.


Large Hadron Collider의 구성

대형 강입자 충돌기는 CERN에서 세운 입자 가속 및 충돌기로, 스위스 제네바 근처에 위치하고 있다. 2008년 9월 10일, 목표치보다 낮은 에너지에서 가동하기 시작하였다. 목표 에너지 수치는 13TeV로 세계 최대 에너지의 입자 가속기이다. 50~150m 정도 되는 깊이에 27km의 원형 터널로 이루어져 있다. 본래 이 터널은 거대 전자-양전자 충돌기(LEP)가 쓰던 공간이었는데, 스위스와 프랑스의 국경을 걸쳐서 위치한다. 지하에는 충돌기가 있고, 지상에는 압축기, 통풍 시설, 전자제어, 냉각 등 보조적인 기능을 하는 건물들이 위치한다.

충돌기 터널에는 양성자 빔을 운반하는 2개의 파이프가 들어 있으며, 각 파이프는 액체 헬륨으로 냉각되는 초전도 자석으로 둘러싸여 있다. 두 파이프에서 나온 양성자는 서로 터널 반대 방향으로 향하고, 여러 개의 보조 자석들은 빔이 4개의 교차점으로 가도록 빔을 조정하는 역할을 한다. 이 교차점에서 입자들 간의 상호작용이 일어나게 된다. LHC의 최종적인 목적은 강입자를 빠르게 가속시킨 다음, 충돌시켜서 그 입자를 이루는 것이 무엇인지, 내부를 관찰하는 것이다. 여기서 강입자(Hadron)란 강한 상호 작용과 관련된 입자로 스핀 값이 정수인 Meson과 반정수인 Baryon이 있는데 대표적인 Baryon이 우리에게 흔한 중성자와 양성자이다.


대형 강입자 충돌기 전체를 하늘에서 찍은 모습

LHC 가속 통로 내부 모습

그림에서 볼 수 있듯이, LHC에는 4개의 주요 관측 장치가 있다. ATLAS, ALICE, LHCb, CMS가 그것인데, 이들은 입자들이 충돌하면서 발생하는 물리적 현상과 새로운 입자들을 관찰한다. ATLAS와 CMS는 일반적인 목적의 디텍터로 양성자-양성자 충돌을 주로 분석하고, 힉스 보존 및 암흑 물질의 단서를 제공하였다. ALICE는 빅뱅 직후 있었던 quark-gluon plasma를 관측하고 납이온과 같이 중이온의 충돌 실험을 관찰하며, LHCb 역시 빅뱅 직후에 있었던 물질-반물질 간의 상호작용, bottom quark 등을 연구한다. 이 이외에도 TOTEM, LHCf라는 작은 관측 장비가 존재한다.


LHC의 가동 원리

이번에는 LHC가 어떻게 입자들을 가속시키고 충돌시키는지 그 원리는 설명해보겠다. LHC에는 총 1200여개의 쌍극자 자석이 양성자 빔의 원형 궤도를 유지 시키며 400여개의 사극자 자석(Quadrupole Magnet)이 양성자 빔을 집중시킨다. 결국 1600여개의 거대한 초전도 자석들이 LHC에 사용되고 있는데, 이들의 무게는 27톤이며 자석들을 1.9K, 극저온에 보관하기 위해 96톤 이상의 액체 헬륨이 사용되고 있다고 한다.

LHC의 핵심은 양성자 등의 입자를 빠른 속도로 가속하는 것인데, 양성자 가속은 어떻게 진행될까? 일단 양성자는 선형 가속기인 Linac2에서 50MeV까지 가속된 다음, PSB(Proton Synchrotron Booster)에서 1.4GeV까지 가속된다. 다음은 PS(Proton Synchrotron)으로 넘어가 26GeV의 에너지까지 가속되고, SPS(Super Proton Synchrotron)에서 양성자는 450GeV까지 가속된다. 그리고 마지막으로 LHC 메인 링에서 7TeV까지 가속된다. 양성자들이 메인 링까지 도달하는데 20분 이상이 소요되며 메인 링에 들어가면 10~24시간 정도 링을 돌게 된다. 두 양성자는 서로 반대 방향으로 원운동 하기 때문에 충돌 시 총 에너지는 14TeV이다. 가속된 양성자는 LHC 메인 링을 90㎲만에 한바퀴 돌게 된다. LHC는 또한 납을 비롯한 중이온을 충돌시킬 수 있는데, 이때의 충돌에너지로 1,150TeV가 나오게 된다. (여기서 1eV는 electronvolt 단위로 전자를 1V의 퍼텐셜을 증가시키기 위해 드는 일을 말한다; 1eV=1.6x10^(-19)J)


CERN의 LHC Accelerator의 가동 원리 설명

소개한 과정을 보면 알 수 있듯이, Large Hadron Collider에는 크게 두가지 가속기가 사용된다. 하나는 선형 가속기(linear accelerator)이고, 다른 하나는 싱크로트론(Synchrotron)이다. 우선 선형 가속기의 원리를 알아보자. 선형 가속기는 가장 단순하게 전기장에 의한 전기력으로 전하를 띈 입자를 가속시킨다. 전하를 띈 입자가 전기장 내부에 놓이게 되면 전기력을 받게 되므로 가속도에 의해 속력이 증가한다. 이때 입자에 걸린 전기장이 직류에 의한 것인지, 교류에 의한 것 인지에 따라서 직류 가속기와 고주파 가속기로 구분된다.


Linear Accelerator(선형 가속기)의 원리

두번째는 싱크로트론인데, 싱크로트론은 사이클로트론을 근본으로 한다. 자기장을 통과하는 전하는 자기력을 받는다. 때문에 자기장과 수직한 방향으로 운동하게 되면 이동 경로(속도)의 방향과 수직하게 힘(자기력)이 작용하므로 자기력이 구심력으로 작용하여 전하는 원운동을 한다. 이때 원형 경로의 반지름은 다음과 같다.

이와 같이 입자가 원형 경로를 따라 움직이면 전극을 여러 회 지나게 되어 입자가 주기운동을 함에 따라 반복적으로 가속된다. 아래 식에 따르면 입자의 원형 경로의 반지름은 일정한 자기장을 걸어 주었을 때 속력에 비례하므로 전극에 의해 가속될 때 마다 반지름이 증가하고, 사이클로트론의 가장자리에 다다르면 입자가 매우 빠른 속도로 분출한다. 로렌츠가 고안한 D자 형태의 전극의 경우, 입자가 이동하는 방향으로 정확히 가속시키기 위해서는 전하가 가속되는 주기가 계속 바뀌어야 한다.


하지만 대형 사이클로트론이 개발되고 입자의 속도가 빛의 속도에 가까워지면서 입자의 질량이 증가증가하는 현상이 일어난다. 이에 따라 위 식에서 볼 수 있듯이 사이클로트론 진동수가 감소하게 되는데, 이를 보완하기 위해 전극의 방향을 바꾸는 주기를 달리한 장치가 싱크로사이클로트론(Synchro-cyclotron)이다. Synchro-cyclotron을 통해 바꿔준 진동수는 다음과 같다.


그렇다면 사이클로트론, 싱크로사이클로트론 모두 결국 입자의 원형 궤도 반지름이 증가하여 일정 시간 이후에는 원형 고리를 이탈하게 되므로 LHC와 같이 계속해서 입자가 일정한 반지름의 원운동(궤도가 1개)을 반복할 수 없다. 따라서 LHC는 이들과 조금 다른 싱크로트론(Synchrotron)을 사용한다. Synchrotron은 전기장과 자기장의 세기를 조정하여 입자를 가속시키는 동시에 그 궤적을 유지하여(원 궤도 반지름 일정) 사이클로트론 크기가 무한정으로 커지지 않게 한다. 그렇기에 그림에서 볼 수 있듯이 하나의 경로를 반복 운동하면서 가속될 수 있는 것이다.


Synchrotron의 작동 원리-사이클로트론과 비슷한 원리이지만, 입자의 원형 궤도 반지름이 바뀌지 않아 일정한 경로를 반복해서 운동할 수 있다.

정리하자면, Linear Accelerator과 사이클로트론의 원리를 이용한 Synchrotron을 통해 Linac2, PSB, PS, SPS을 거쳐 두 양성자를 총 14TeV의 에너지로 가속시켜 충돌하게 된다. 아래 영상을 보면 이때까지 소개한 LHC의 원리가 잘 이해될 것이다.




LHC가 남긴 업적과 넘어야 할 난관들

LHC의 거대한 크기 때문에, 건설자들은 그동안 마주친 적이 없는 여러 공학적인 문제를 해결해야 했다. LHC가 가동하게 되면, 자석에는 10GJ의 에너지가 저장이 되고, 빔에는 725 MJ의 에너지가 실리게 된다. 만약 10−7만큼의 빔이 링 안의 초전도 자석에 흡수되면, 빔은 과충전된 에너지를 내놓게 되고, 다량의 폭발이 발생하게 될 것이다. 참고로 725 MJ은 TNT 157 kg을 한꺼번에 터트린 에너지와 같다. 또한 막대한 에너지와 정밀한 작동을 요구하는 장치이다 보니, 여러 사소한 문제들이 발생한다. 양성자 빔을 쏘고 가속시키는 과정에서 변압기가 고장 나거나, 거대한 초전도 자석들의 전기 연결장연결장치 문제 때문에 냉각제인 액체 헬륨이 새기도 했다.

여러 기술적, 경제적 어려움에도 불구하고 결국 대형 강입자 충돌기는 큰 과학적 공헌을 남겼다. LHC는 20세기 물리학 발전에 결정적인 역할을 했다. 이 장치를 통해 과학자들은 소립자들의 내부 구조와 상호 작용에 대한 결정적인 증거들을 발견했다. 그러나 20세기 말까지 물리학자들이 해결하지 못한 숙제가 있었으니, 바로 표준 모델(Standard Model)의 문제이다.(이 부분에 대해선 자세히 다루지 않겠다) 표준 모델에서 예측한, 이른바 신의 입자인 Higgs boson 및 그 외 다른 고에너지 물리학 실험을 위해 입자가속기의 필요성이 제기되었다. 사실 이것이 LHC가 만들어진 이유이기도 하다. 즉, 현재 물리학자들이 믿고 있는 핵심적인 이론이 옳은지를 검증하기 위해선, 반드시 LHC와 같은 대형 입자 가속기 실험이 필요했고, LHC를 통해 우주 만물이 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 오랜 실마리를 해결하게 될 것이다. “우주는 무엇으로 되어있을까?”라는 가장 근본적인 질문을 해결해주고 그 물질을 찾아내는 현미경, LHC가 우리가 무엇으로 만들어져 있는지를 밝혀낼 것이다.



 

최성림 | Physics & Earth Sci. | 지식더하기


참고자료

[1] https://ko.wikipedia.org/wiki/

[2] https://kkk112.tistory.com/entry%EC%95%8C%EC%95%84%EB%B3%B4%EC%9E%90-1-1

[3] https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/m488n


첨부 이미지 출처

[1] https://www.pinterest.co.uk/pin/643944446692497621/

[2] https://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/images/cern-photos/CE0085M.jpg

[3] https://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/images/complex/Cern-complex.gif

[4] https://ko.wikipedia.org/wiki

[5] https://steemit.com/kr-science/@chosungyun/m488n


첨부 이미지 출처

[1] https://www.youtube.com/watch?v=oWpy0SAAI6E


ⓒ KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 KOSMOS

조회수 35회댓글 0개

최근 게시물

전체 보기