LHC

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지도에 그려진 큰원이 LHC, 작은원이 SPS

1 개요

Large Hadron Collider
대형 강입자 충돌기

스위스 제네바에 위치한 CERN소관의 인류 역사상 가장 거대한 실험장치 중 하나.


LHC의 간략 구성도.SPS, PS는 양성자 싱크로트론(간단하게 양성자 부스터) SPS의 S는 슈퍼(...)[1] , 노란색 글씨는 충돌실험이 일어나는 관측기들을 의미한다.

전 세계 85개국에서 1만명이 넘는 저명한 물리학자들이 모여 25년간 약 32~64억 유로에 이르는 연구비(건설비, 유지보수비, 실험비용 포함)를 투입하였다. 크기는 둘레 27km, 예상 출력 에너지는 14TeV이(지만 현재 낼 수 있는 최대 출력은 7TeV정도)다. 전자석을 초전도체로 만들었기 때문에 10K(영하 263℃)의 온도가 유지되고 있는, 세계에서 가장 차가운 곳이기도 하다.[2][3]

양성자-양성자, 양성자-원자핵(Pb), 원자핵-원자핵(Pb-Pb)의 충돌[4]을 통하여 재현되는 고온 고압의 '미니 빅뱅'에서 '쿼크-글루온 플라즈마'로 알려진 극한상태의 핵물질이 만들어질 것으로 예측하고, 그 존재와 특성을 실험적으로 검증하고 있다. 각기 다른 물리학적 목표를 가지는 네 개의 검출기 - ATLAS, CMS, ALICE, LHCb - 에서 충돌 실험이 수행되고 있으며, 그에 따른 결과 기록 및 분석 작업 또한 이루어지고 있다.

LHC의 물리학적인 목표는 크게 두 가지로 구분할 수 있는데, 첫번째는 ‘빅뱅이 발생한 후 100만분의 1초 사이에 어떤 일이 일어났는지를 알아내는 것’으로 ALICE 실험에서 주도하고 있고, 다른 하나는 ‘모든 물질에 질량을 부여하는 기능을 하는 신의 입자라 불리는 '힉스 보손(boson)[5]'을 찾아내는 것’으로 CMS와 ATLAS 실험에서 주도하고 있다. 이로부터 핵을 형성하는 강력한 힘이 어떻게 작용했고 기초적인 입자들이 어떻게 뭉치게 됐는지, 즉 우주를 구성하는 물질의 기원을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.

물리학에서의 표준모델은 하나의 긴 수학공식이라고 할 수 있는데, 몇가지 미묘한 문제들(계층성 문제 등) 때문에 초대칭성(supersymmetry)이라는 개념이 도입되었다. 최소 질량의 초대칭 입자(Lightest Supersymmetric Particle)은 또한 암흑물질의 좋은 후보가 되기 때문에 초대칭성이 존재하는지, 그리고 그 에너지 스케일은 어느 정도인지도 LHC가 밝혀낼 수수께끼 중 하나이다.

이 외에도 뉴트리노 질량 문제, 대통일 이론(강력+약력+전자기력)의 모습은 어떤 것인지, 고에너지(특히 top quark) 입자에 관련된 상수나, 대칭성이 얼마나 깨져있는지 등등이 LHC의 관심사라고 할 수 있다.

CERN에서 테스트 차원에서 입자 하나씩만 쏘는 실험을 현지 시각으로 2008년 9월 10일 오전 9시 38분에 시작했고 10시 20분 무사히 실험을 마쳤다. 다만 2008년 9월 20일, 고장이 나서 두 달[6]간 가동이 멈췄다. 원인은 전기적 접촉 불량 -> 온도 상승 -> 자석이 초전도성을 잃음 -> 엄청난 양의 전류[7]가 물리적 힘으로 작용 -> 진공 sealing 손상 -> 냉각재 손실(폭발) 뻥! -> 뻐버벙!!

2009년 11월에는 냉각 중 온도 상승 사고가 발생하여 문제 원인을 알아보니 알고보니 연구원이 테이블 위에 올려둔 샌드위치가 실험기로 떨어져서였다고 한다.무한정 수명이 늘어난 와우배거?

그 외에도 크고 작은 문제들이 발견돼서 실제로 작동을 개시한건 2010년 3월 30일이였다. 그리고 당연히 아무 일도 일어나지 않았다.

CERN에선 컴퓨터 서버를 놓을 돈을 구하기보단, 최근 유행하는 그리드 컴퓨팅을 도입하여 전세계 컴퓨팅 센터 및 물리학 연구소(및 자발적 지원자)들을 대상으로 LHC@HOME이란 프로젝트를 BOINC에서 돌리고 있다. 근데 프로젝트는 하나도 없고, 유령이나 다름없다[8] 그러나 구 프로젝트는 버리고 LHC@Home 1.0이 가동중이다.

2 지구 멸망설?

실험 도중 블랙홀의 생성으로 지구가 소멸할 것이라는 어처구니 없는 지구멸망설이 제기되고 있고, 일부 가짜 과학자들(과 컴퓨터 그래픽 장인들)이 그럴듯하게 동영상도 만들며 낚시질을 일삼고 있다. 심지어 모 신문사에서는 LHC가 미니블랙홀을 만들기 위한 것이라고 오보를 내기도 했다!# 실험을 중지 해야 한다는 소송이 걸리기도 했으나 실험측은 '실험을 통해 만들어지는 입자 에너지로 미니 블랙홀이 생성된다면, 천체관측으로 이미 수많은 미니 블랙홀들을 발견 했을 것이다'라고 대응하였다. 무엇보다도 지구로 날아오는 우주선 중에는 LHC가 만들 수 있는 에너지의 천만배를 넘어가는 에너지를 가진 것들이 심심치않게 목격되지만, 지구는 여전히 멀쩡하다.[9]

한 연구원이 심히 고든 프리맨을 닮아 본 실험에 우려를 증폭시켰다. 하필 하프 라이프란 게임 자체가 저런 초대형 실험의 실패로(공간이동 실험) 외계인이 침공한다는 내용이라서...그리고 문제의 사진에 찍힌 저 고든 프리맨을 닮은 사람도 그 사실을 주워들었는지, 2008년 가을 몸소 CERN의 연구소 앞에서 빠루를 들고 본인인증을 하는 팬 서비스(?)를 감행하였다(...). 참조

참고로 다른 사진들 보다보면 위에 친숙한 박사님 말고도 진청빛 양복 입은 모씨도 같이 보인다.

한국에선 2008년 이것의 첫 가동을 계기로 장비를 정지합니다, 이건 미친 짓이야 난 여기서 나가겠어 등이 재발굴되어 큰 인기를 끌었다.

존 티토의 예언에서 언급되기도 하였다. 또한 플래시포워드 소설에서는 플래시 포워드를 일으킨 원흉. 슈타인즈 게이트 게임 및 애니메이션에서는 타임머신연구를 위해 블랙홀을 생성하는 장치로 등장한다.

3 목적

이 기구를 통해 과학자들은 다음과 같은 결과를 얻기를 바라고 있다

  • 약전자기 대칭은 어떻게 깨지는가? 표준 모형에서 예측하는 힉스 메커니즘에 의한 것인가? 그렇다면, 힉스 보존의 질량은 무엇인가?
  • 표준 모형이 중입자 질량의 비를 정밀히 예측하는가? 아니라면, 표준 모형을 어떻게 확장하여야 하는가?
  • 초대칭이 존재하는가? 초대칭이 예측하는 추가 입자 (초짝입자)가 존재하는가?
  • 왜 물질과 반물질 사이에 명백한 비대칭이 있는 것인가? (CP 위반)
  • 끈 이론 등에 의해 예측된 추가 차원이 실재하는가?
  • 암흑 물질은 무엇으로 이루어진 것인가? 암흑 에너지의 정체는 무엇인가?
  • 왜 중력이 다른 상호작용에 비해 터무니없이 약한가? (계층 문제)

4 현재까지의 업적

그런데 가동을 시작한 후 한동안 아무 일도 일어나지 않아서 전세계 물리학자들의, 특히 수십년간 초대칭 이론을 연구해온 학자들의 애간장을 태웠다. 초대칭 이론이 맞다면 여러 초입자(superpartner)들의 발견 소식이 들려와야 했는데 너무나 잠잠했기 때문이다. 2011년 2월 28일에는 결국 원래 예측된 에너지 범위에서는 초입자가 나타나지 않는 것으로 결론을 내렸고# 그 후 더 높은 에너지 범위에서 다시 탐색을 계속할 예정이라고 발표했다. 이것만으로도 이미 초대칭 이론[10]은 수정이 불가피하며, 만약 초입자들이 계속 발견되지 않는다면 초대칭 이론은 폐기될지도 모를 위기에 처했다.

힉스 입자의 존재가 2013년 LHC 실험을 통해 발견되었다. 예전에는 '페르미 랩'에서 입자가속기 테바트론을 이용해 실험하고 있었다. 다년간의 축적된 운용경험, 데이터, 분석노하우를 통해 LHC측과 공동 분석을 해왔다. 다만 2011년 9월, 페르미랩에서는 입자가속기 테바트론의 운행을 28년만에 중단하기로 결정했다. LHC보다 에너지 수준이 낮아서 새로운 발견이 나올 가능성이 별로 없다는 점이 크게 작용했다.
초기에는 아무 소식이 없었으나, 2011년 12월 7일, 힉스 입자가 125 기가전자볼트 즈음에서 발견되었단 설레발적인 루머가 나왔다. 7일것도 좀 의외였는데, LHC최대 출력인 7테라전자볼트가 아닌 125기가전자볼트 즈음에서 ATLAS에서 발견되었다는 것...사실 이정도면 테바트론의 최대출력 이내인데 정작 페르미랩에서 이제까지 발견못했다는 것...지못미 페르미랩(...).[11]
2011년 12월 14일에는 CERN 웹캐스트를 통해 '존재한다는 증거가 발견되었다'는 내용이 발표되었으며, 2012년 7월 4일 힉스입자로 추정되는 소립자를 발견[12]했다고 공식으로 발표했다. 뉴스기사 결국 2013년 3월 14일 힉스입자 발견 사실을 인정하였다. 이 발표로 당분간은 현재의 표준 이론(Standard Model)에 대대적인 수정이나 완전히 새로운 모델의 필요성은 거론되지 않게 되었다. 그리고 처음 힉스 입자의 필요성을 주장한 피터 힉스도 아슬아슬하게 2013년 노벨상을 탈 수 있었다.

다만 이는 페르미랩에서 연구가 제대로 되지 않았다는 의미는 아니다. 사실 테바트론은 LHC보다 오히려 힉스 입자를 발견하기 쉬운 유형의 가속기이며, 실제로 페르미랩에서의 실험결과를 분석해도 힉스 입자의 존재를 뒷받침하는 결과를 얻어낼 수 있었고 힉스입자 발표에서도 페르미랩의 결과도 힉스입자의 존재를 뒷받침한다는 언급이 나왔다. 문제는 힉스 입자의 붕괴 과정은 다른 현상 내지는 실험 과정의 노이즈와 구별하기 어렵기 때문에 상당히 많은 실험결과와 통계적 분석 기법을 필요로 하는데, 테바트론의 에너지 수준으로는 도저히 힉스 입자의 존재를 노이즈와 확실하게 분별할 수 있을 정도의 결과를 얻어낼 수 없었던 점이다. 즉 힉스입자의 존재를 확인한 상태에서 분석하면 페르미랩의 결과도 힉스입자의 존재를 뒷받침하는 것을 알 수 있지만 페르미랩의 결과만으로는 힉스입자의 존재나 성질을 얻어내기는 무리였다는 것이다. 페르미랩의 명예는 아직 살아있다... 정신승리

2013년 블랙홀 생성에 실패하는 바람에 무려 2년 동안 공돌이들을 갈아넣은 다음 2015년 5월 그동안 모자라는 출력을 13Tev로 증강시켜 재가동한다.

5 기타

  • 2016년 4월 말에 작은 동물(족제비로 추정)이 LHC 내부의 전선을 갉아먹다가 감전사하면서 LHC의 작동이 중단되었다.
  • 게임 레드얼럿 3 업라이징에서 퓨처테크의 시공간 절단기가 이것을 모티브로 했다. 심지어 장치의 전체적인 모습마저 똑같다.
  • 블랙 메사 Steins;Gate에서 SERN이라는 과학기관이 가지고 있다 엘 프사이 콩그루 .
  • 로버트 J. 소여의 플래시포워드에서는 LHC로 인해 모든 사람들이 137초동안[13] 정신을 잃고 정신을 잃은 동안 사람들은 6개월 후의 미래의 자신의 모습을 보게 된다.
  • ATLAS 측정기에 충돌하는 입자들을 음악으로 바꿔주는 사이트가 있다.은근 리듬 잘 탄다

6 바깥고리

  1. ↑ 1959년에 건설된 PS(Proton Synchrotron)의 길이가 628m인 것에 비해, SPS의 길이는 6.9km 였으니 Super라는 말이 들어갈만하다. 물론 LHC에 비하면 작긴하지만.
  2. ↑ 가동될 때에는 무려 1.9K(-271.3℃)까지 내려간다. 우주의 온도가 2.7K(-270.5℃)이므로 가동될 때에는 우주에서 가장 추운곳이기도 하다! 그리고 이는 LHC의 홍보용 문구이기도 했다.
  3. ↑ 다만 지상의 저온실험실에선 1.9K보다 더 낮은 온도를 만들 수 있기는 하다.
  4. ↑ 미국의 RHIC에서도 동일한 방식의 실험을 수행하고 있는데, 여기는 LHC보다 에너지대가 낮다던지, 납 원자핵 대신 금 원자핵을 쓴다던지 등의 차이점이 있다. 어느 교수님께서 이를 두고 말씀하시기를 '미국은 원체 돈이 많아서 이런 실험에 금을 막 갈아넣어도 되는 거다'라고...ㄷㄷㄷ
  5. ↑ conservation이 아니라 boson
  6. ↑ 그때는 두달이라고 생각했지만 현실은...
  7. ↑ 초전도 자석을 도배했기 때문에 그냥 내부에 돌고 있는 순수한 전기 에너지만 해도 장난이 아니다.
  8. ↑ 당연한게 2011년 중반 현재까지도 돌고 있는 입자 개수=충돌 횟수가 당초 계획에 매우 못미친다. 그리고 가동 전~가동 초기에 LHC@HOME으로 시뮬레이션을 무쟈게 돌렸다.
  9. ↑ 사실 이 떡밥은 무려 몇십년 전부터 당시 최대 에너지의 입자 가속기가 만들어질 때마다 끈질기게 재등장한다. 조심해서 나쁠건 없지만 좀 지겹다.
  10. ↑ 가장 간단한 형태.
  11. ↑ 사실, 테바트론이 똑같이 양성자-양성자 충돌 실험을 1TeV(질량중심 에너지)크기로 했다 하더라도, 입자가 반응하는데 사용하는 에너지를 1TeV만큼 가져가는 일은 일어나지 않는다. 양성자내에는 Up-quark이 두개 Down-quark가 한개 있다. 그뿐만이 아니라 양성자 속에서 엄청난 속도로 쿼크들로 이루어진 방울들이 생겨났다 사라져서 이것들이 모두 0.5TeV를 사이좋게 나눠먹는다. 때문에, Higgs가 발견되기 위한 최저 에너지 125GeV보다 큰 에너지를 가지는 충돌이 상대적으로 매우 적어서 보았더라도 배경사건이구나 하고 치부 할 가능성이 생긴다. 발견당시 LHC에서조차 (스핀이 0인지 아닌지 판단하기위해) 틀림없이 확실한 Higgs발견 사건갯수를 가려봤을 때 딸랑 12개 였다는 것을 고려하면, 테바트론에서 발견하지 못했다는 것도 어떤의미로는 당연하다고도 볼 수 있다.
  12. ↑ 엄밀히 말하자면 힉스 입자를 발견한게 아니라 힉스 입자가 붕괴되는 것같은 붕괴현상을 발견했다. 광자 2개로 붕괴한듯
  13. ↑ 참고로 이 값은 양자전기동역학에서 나오는 가장 중요한 상수 중 하나인 미세구조상수의 역수(의 근사값)이다.