생일 축하합니다, 대형 강입자 충돌기: 원자 충돌의 10년

대형 강입자 충돌기는 세계에서 가장 강력한 입자 가속기입니다. 2015년 6월, LHC는 2013년 처음 가동했을 때보다 거의 두 배의 에너지로 다시 가동되었습니다. (CERN)

10년 전, 세계 최대의 과학 장비가 가동되고 연구 왕조가 시작되었습니다.

2008년 9월 10일, LHC(Large Hadron Collider)의 길이 16.5마일(27km) 고리를 공전하는 양성자 빔이 처음으로 방출되었습니다. 세계 최대의 강입자 충돌기를 위해 제작된 가장 강력한 원자 분쇄기입니다. 스위스 제네바 외곽 CERN 연구소에 위치한 대형 강입자 충돌기는 거의 빛의 속도로 고에너지 양성자 빔을 함께 충돌시키기 위해 제작되었습니다. 명시된 목표는 아원자 물질의 거동에 대한 최고의 이론인 표준 모델의 마지막 누락된 부분인 힉스 보존을 만들고 발견하는 것입니다. 하지만 목표는 그 이상이었습니다. 우리가 정말로 원했던 것은 완전히 예상치 못한 것을 발견하는 것이었습니다. 너무 크고 새로운 것이므로 교과서를 다시 작성해야 했습니다.

그리고 대형 강입자 충돌기는 조용히 열리지 않았습니다. 몇 주, 몇 달 전, 언론은 대형 강입자 충돌기가 지구를 파괴할 블랙홀을 생성한다는 숨가쁜 공포 이야기로 가득 찼습니다. 언론은 이러한 선정적인 주장을 잘 반박했지만, 그 이야기는 가장 책임 있는 인쇄 매체, 온라인, 방송 매체에서도 보도되지 않을 정도로 훌륭했습니다.

대형 강입자 충돌기가 위치한 CERN 연구소는 대형 강입자 충돌기의 첫 번째 빔 방출을 언론에 초청하기로 결정했습니다. 블랙홀 매니아는 언론의 존재를 보장했습니다. BBC, CNN, Reuters 및 12개 이상의 국제 언론 매체가 축하 행사에 참석했습니다. 블랙홀은 제쳐두고, 이것은 PR 관점에서 볼 때 위험한 선택입니다. 새로운 가속기는 까다로운 짐승이며, 대형 강입자 충돌기는 특히 그렇습니다. 수천 개의 자석과 수만 개의 전원 공급 장치, 모니터링 전자 장치 등으로 구성됩니다. 사소한 사고로 인해 첫 번째 성공적인 빔 주기가 며칠 또는 몇 주까지 지연될 수 있습니다. [사진=세계 최대 아톰 스매셔(LHC)]

그날 아침에는 긴장감 넘치는 순간이 있었다. 일부 반항적인 전원 공급 장치로 인해 처음 몇 번의 시도는 실패했습니다. 그러나 현지 시간 오전 10시 30분, 가속기 운영자들은 단지 전체에 매우 낮은 강도의 양성자 빔을 보내는 데 성공했습니다. LHC는 본질적으로 반대 방향으로 빛의 광선을 유지하도록 설계된 두 개의 가속기이므로 다음 단계는 두 번째 빔 튜브 세트를 통해 광선을 유도하는 것입니다. 그것은 첫 번째 성공 직후에 일어났습니다. 세계 언론은 이러한 기술적 성과를 충실히 발표했습니다. 입자 물리학은 이런 종류의 미디어에 노출되는 경우가 거의 없습니다.

전 세계의 관심에도 불구하고 그날 성취된 성과는 비교적 미미했습니다. 피드 가속기의 저에너지, 저강도 빔이 LHC에 주입됩니다. 빔은 링 주위를 여러 번 순환했으며 에너지가 매우 낮았습니다. 이는 LHC가 설계된 가장 낮은 에너지를 의미합니다. LHC는 더 작은 가속기에서 입자 빔을 수신한 다음 수신된 에너지의 15배 이상으로 빔을 가속하는 방식으로 작동합니다. 첫 번째 시도에서는 빔을 가속할 의도가 없었습니다. 링을 성공적으로 도는 것만으로도 충분합니다.

게다가 빔의 강도도 설계 강도의 1천만분의 1도 안 됩니다. 입자빔에서 강도는 빛의 밝기와 유사합니다. 더 많은 양성자를 추가하거나 빔을 더 작은 크기로 집중시킴으로써 빔의 강도를 더욱 높일 수 있습니다. 그날도 포커싱은 여전히 ​​미래의 목표였고, 가속기에 들어가는 양성자는 소수에 불과했다. 처음에는 실제 가속기 전자 장치의 타이밍이 정확하지 않았습니다. 그러므로 아직 갈 길이 멀다는 것은 분명합니다.

하지만, 어찌 됐든. 그것은 흥미롭고 완전한 행동을 향한 중요한 디딤돌임이 분명합니다. 코르크가 터졌습니다. 샴페인이 너무 많아요. 뒷면에서 사진을 찍어보세요. 좋은 날이고 나는 CERN의 첫 번째 무리가 아닙니다.

결국, LHC에 대한 나의 관심은 LHC를 사용하여 충돌이 발생하지 않을 것이라는 것을 모두가 알고 있는 고에너지 입자를 분쇄하는 것입니다. 대신 저는 미국의 대표적인 입자 가속기 연구소이자 대형 강입자 충돌기 메커니즘의 데이터를 분석하는 가장 영향력 있는 연구 기관인 Fermilab에서 일하고 있습니다. 두 연구실은 형제 같은 관계로, 기술적인 어려움을 극복할 때 서로 응원하고 있습니다. 페르미연구소에서는 9월 10일 저녁에 과학자들과 지역사회를 위한 파자마 파티를 열기로 결정했습니다. 이것은 특별합니다. 수백 명의 현지인들이 오전 2시에 나타나 현지 시간으로 오전 4시 30분에 빔이 성공적으로 순환할 때까지 기다렸습니다. 나는 돌아다니며 대중, 언론인과 이야기를 나눴지만 그들은 편집자들이 그들을 유럽과 다른 과학자들에게 보내도록 설득할 수 없었습니다. 청중들은 동쪽으로 4,400마일 떨어진 CERN에서 들을 수 있을 만큼 크게 환호했습니다.

물론 2008년 9월 10일 아침의 성공은 매우 중요했지만 그것은 지구상에서 가장 강력한 입자가속기의 활성화라는 원하는 결과를 향한 한 걸음에 불과했습니다. 이를 위해서는 LHC를 둘러싸고 있는 1,232개의 거대 자석을 최대 전류로 테스트해야 합니다. 그래서 CERN의 가속기 직원은 작업 완료에 관심을 돌렸습니다. 여기서 상황이 잘못됩니다. 9월 22일, 작업자는 마지막 자석 세트를 제거한 후 자석이 견딜 수 있도록 액체 헬륨이 들어 있는 보온병을 뚫고 있었는데, 결함이 있는 납땜 접합으로 인해 구리 부스바가 과열되어 녹고 1만 암페어의 아크가 발생했습니다. 전류를 흐르게 하여 강력한 자기장을 가능하게 합니다. [갤러리: 대형 강입자 충돌기에서 힉스 보손 탐색]

그 구멍으로 헬륨이 고압으로 방출됐다... 35톤의 폭탄을 폭발시킬 만큼 강력한 제트 생성 무거운 자석이 밀어낸다 18인치 옆으로 밀어 장착 브래킷을 단단한 콘크리트에서 잡아당깁니다. 헬륨의 온도는 화씨 영하 450도이며, 이는 대형 강입자 충돌기 터널을 1마일 동안 냉각시킵니다. 손상을 복구하고 추가 안전 장치 장비를 추가하는 데 1년 이상이 걸렸습니다.

2010년 2월 27일, 대형 강입자 충돌기 가속기 직원은 다시 시도를 준비했습니다. 그런 다음 약 한 시간 반 동안 그들은 다시 반대 방향으로 빔을 순환시키면서 운동을 반복했습니다. 이번에는 언론에 알리지 않고 시도됐다. 3월 19일까지 승무원은 마침내 이전 세계 기록 가속기인 Fermi-Tewattron보다 3.5배 더 많은 에너지로 빔을 가속했습니다. 나는 그날 우연히 CERN에 있었고 이 성과는 새벽이 되기 전 이른 시간에 달성되었습니다. 동료들과 함께 모니터를 보다가 빔이 안정됐다는 소식이 나오자 다시 샴페인 샷과 백슬랩, 환호가 터져 나왔고, 이번에는 텔레비전 카메라도 없었다.

그날부터. LHC 단지 과학적인 현상일 뿐입니다. 고리 주위에 배열된 4개의 감지기에 특별한 광선을 보내는 것입니다. 현재까지의 과학적 결과는 두 가지 대규모 실험 각각에서 800개 이상의 출판물과 전체 연구 프로그램에서 2,000개 이상의 출판물을 포함하여 엄청났습니다.

지난 10년 동안 가장 영향력 있는 발견은 입자물리학의 표준모형에서 마지막으로 사라진 조각인 힉스 보손(Higgs boson)입니다. 2012년 7월 4일 전 세계 시청자에게 다시 발표되어 1,000개 이상의 TV 방송국을 대상으로 하고 시청자 수는 10억 명에 달했습니다. 다시 한번, 세계는 발견의 즐거움을 공유했습니다. [6 힉스 보존 입자 발견의 의의]

대형 강입자 충돌기의 미래는 참으로 밝습니다. 10년 동안 성공적으로 운영해 왔지만 우리의 의도는 계속해서 탐사에 가속기를 사용하는 것입니다. 현재 이 계획은 최소 향후 20년 동안 계속 운영될 예정입니다. 실제로 2018년 말까지 LHC 실험을 통해 시설 수명 기간 동안 기록된 데이터 중 단 3개만 수집될 것으로 추정됩니다. 2018년 말, 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)는 개조 및 업그레이드를 위해 2년간 운영을 중단할 예정입니다. 2021년 봄에는 대폭 개선된 감지기로 운영을 재개할 예정이다. LHC를 통해 어떤 과학적 진실이 밝혀질지는 알 수 없습니다.

그것이 바로 과학을 하는 것입니다. 우리가 무엇을 발견하게 될지 안다면 그것은 연구라고 불리지 않을 것입니다. 그러나 LHC가 지적, 기술적 보석이라는 점에는 의심의 여지가 없습니다. 이는 과거 연구자들이 꿈만 꿀 수 있었던 성과입니다. 대형 강입자 충돌기는 가장 작은 거리 규모와 가장 높은 에너지를 감지하고 빅뱅 이후 불과 1조분의 1초 만에 우주의 마지막 지배적 조건을 재현할 수 있습니다. 탐색과 발견을 위한 도구입니다. 우리는 이제 막 시작했습니다. 그것은 훌륭할 것입니다.

대형 강입자 충돌기님, 생일 축하드립니다.

원래 Life Sciences 저널에 게재되었습니다.

Don Lincoln은 Fermilab의 물리학 연구원입니다. 그는 The Large Hadron Collider: The Remarkable Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Make Your Head Go Wrong(Johns Hopkins University Press, 2014)의 저자이며 일련의 과학 교육 비디오를 제작했습니다. 페이스북에서 그를 팔로우하세요. 이 리뷰에 표현된 의견은 그의 의견입니다.

Don Lincoln은 Live Science의 Expert Voices: Commentary and Insights에 이 기사를 기고했습니다. "