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- CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)는 세계에서 가장 크고 강력한 입자 가속기
- LHC로 힉스 보손 발견, 물리학 기본 힘에 관한 통찰력 얻었지만 근본적인 질문 미해결
- 물리학자들은 선형 가속기뿐만 아니라 더 큰 링 가속기 필요성 논의
- 4개의 대형 감지 시스템과 표면에 8개의 건물 단지를 포함한 91km 길이의 지하 링 가속기
- 2030년대에 건설이 시작 예상되고, FCC는 2040년대에 운영 시작

CERN, 최상의 입자 가속기 계획
91㎞ 길이의 FCC 링 가속기가 LHC의 후계자가 될 예정이다.

빠른 입자를 위한 거대한 링:
CERN 연구 센터에 따르면, LHC 입자 가속기의 후속 장치는 91km 폭의 초대형 기계인 미래 원형 충돌기(FCC; Future Circular Collider)가 될 예정이다. 새로운 가속기는 2030년부터 건설이 시작될 예정이며, 처음에는 전자와 양전자를 충돌시키게 된다. 현재의 타당성 보고서에 따르면, 수십 년 후에는 최대 100TeV(테라전자볼트)의 에너지를 가진 양성자와 중이온 간의 충돌이 뒤따를 것이라고 한다. 

▲ 미래의 원형 충돌기(FCC)는 이런 모습일 수 있다. 먼저 전자와 양전자, 그다음 양성자가 이전에는 얻을 수 없었던 에너지로 충돌하게 된다. © CERN/PIXELRISE

CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC;Large Hadron Collider)는 세계에서 가장 크고 강력한 입자 가속기다. 제네바 근처에 있는 27km 길이의 고리에서 양성자와 중이온이 거의 빛의 속도로 충돌하며, 그 에너지는 약 13TeV이다. 힉스 보손의 발견은 LHC와 그 검출기 덕분이지만, "우주의 원시 수프", 물질의 구조, 물리학의 기본 힘에 대한 최초의 통찰력도 얻었다.

왜 새로운 입자 가속기가 필요한가?

문제는 물리학의 많은 주요 의문점들이 아직도 답이 나오지 않았다는 것이다. 현재의 입자물리학 표준모형에는 허점이 있다. 네 번째 기본적인 힘인 중력이 나머지 기본적인 힘과 어떻게 관련되어 있는지가 불분명하다. 또한 암흑 물질이 어떤 입자로 구성되어 있는지, 암흑 에너지가 정확히 무엇인지, 빅뱅 이후에 반물질과 물질이 왜 서로를 완전히 소멸시키지 않았는지도 불분명하다. 중성미자, 전기약력, 힉스 보손의 행동에 관해서도 여전히 의문점이 있다.

큰 기대에도 불구하고 LHC는 이러한 퍼즐을 풀지 못했다. 이는 답이 훨씬 더 높은 에너지 범위나 LHC 검출기가 감지하지 못하는 위치에 숨겨져 있음을 시사한다. 그래서 물리학자들은 수년간 어떤 미래 시스템이 이 목적에 적합할지 고찰해 왔다. 선형 가속기뿐만 아니라 더 큰 링 가속기도 논의되고 있다.

▲ 대형 강입자 충돌기(LHC)는 현재 세계에서 가장 강력한 입자 가속기다. © CERN/ Daniel Dominguez

FCC의 주요 데이터

이제 CERN 연구 센터는 LJHC의 후속 장치인 미래 원형 충돌기(FCC)에 대한 타당성 연구를 발표했다. 이것은 4개의 대형 감지 시스템과 표면에 8개의 건물 단지를 포함한 91km 길이의 지하 링 가속기다. 만약 이 시설이 2028년까지 CERN 회원국의 승인을 받는다면, 2030년대에 건설이 시작될 것으로 예상되고, FCC는 2040년대에 운영을 시작할 수도 있을 것이다.

CERN은 "FCC는 역사상 가장 큰 입자 가속기가 될 것"이라고 밝혔다. 타당성 보고서에 따르면, 지하 180~400m에 위치한 터널과 시설을 위해 약 1,640만 톤의 암석을 굴착해야 한다. 비교를 위해 말씀드리자면, 슈투트가르트-21 주유소 프로젝트에는 약 2천만 톤이 사용된다. 링 모양의 감지기와 초전도 자석의 구성품은 무게가 수 톤에 달하고 최첨단 기술이 집약되어 ​​있다.

▲ 미래 원형 충돌 실험기(FCC)의 링터널은 길이가 90.7km이고 LHC 옆에 위치해 있다. © CERN

비용, 전기 및 물

타당성 보고서에 따르면, FCC 건설 비용은 약 160억 유로이며, 15년에 걸쳐 진행된다. 이 중 대부분은 CERN의 연간 예산에서 나온다. 동시에 이 프로젝트는 건설 단계에서 수천 개의 일자리를 창출하고 지역 경제에 긍정적인 영향을 미치는 등 일부 투자를 회수할 수도 있다. 이것만 해도 약 40억 유로에 달할 수 있다.

CERN은 FCC 가속기의 첫 번째 확장 단계를 작동하는 데 필요한 전기가 연간 1.0~1.8TWh(테라와트시)가 될 것으로 추정한다. 이는 LHC의 "고광도" 단계보다 0.2TWh 더 많다. 전기는 프랑스 전력망에서 공급된다. 추가적인 발전소나 시설이 필요하지 않다. 물 소비량은 LHC와 거의 같다.

물리학: 첫 번째 전자와 양전자

이러한 노력을 가치 있게 만들기 위해 FCC는 두 가지 유형의 가속기를 하나로 결합하고 있다. 처음 15년 동안 링은 전자-양전자-가속기(FCC-ee)로 작동될 것이다. 이러한 입자는 더 무거운 양성자보다 적은 노력으로 높은 에너지로 전환될 수 있다는 장점이 있다. 그러므로 FCC-ee에서의 충돌은 LHC보다 훨씬 더 많은 히그스 보손, W 및 Z 보손, 무거운 쿼크와 기타 고에너지 입자를 생성할 수 있다.

"따라서 FCC-ee는 표준 모형에서 가장 무거운 4개 입자에 관한 연구와 정밀 측정, 희귀하거나 금지된 프로세스에 대한 탐색 또는 약하게 결합된 입자의 발견에 이상적인 조건을 제공한다"고 CERN의 물리학자 패트릭 자노트가 설명했다. "FCC-ee를 사용하면 우리는 힉스 보존, 전자약력의 게이지 보존, 탑-쿼크의 속성을 오늘날보다 몇 배 더 정확하게 매핑할 수 있다.”

▲ 첫 번째 단계의 확장에서는 FCC가 높은 에너지로 전자와 양전자를 가속하고 충돌시킨다. 이 단계에서는 감지기 중 하나(왼쪽)와 가속기가 이렇게 생겼을 수 있다. © Polar Media; PIXELRISE

그다음 100TeV 양성자 가속기

두 번째 단계 사용에서는 FCC가 강입자 충돌기로 전환된다. LHC의 경우와 마찬가지로 양성자와 선택적으로 중이온이 가속기 링에서 충돌하게 되는데, 그 에너지는 최대 100TeV에 달한다. 이를 통해 오늘날 가능한 것보다 훨씬 더 무거운 입자를 감지하는 것이 가능해질 수도 있다. 물리적 관점에서 볼 때, 이는 다른 힉스-보존이 존재하는지부와 암흑 물질의 존재 여부를 밝히는 것 외에도, 지금까지 단지 가정만 되어 온 초대칭성에 대한 탐색에 흥미로울 것이다.

FCC-hh는 2070년대에 운영을 시작할 수 있으며 적어도 25년 동안 운영될 것으로 예상된다. Janot은 "이 두 기계는 각각 고유한 과학적 정당성을 가지고 있다"고 말했다. "그들은 함께 21세기 입자 물리학에 대한 장기 청사진을 제공한다." 메가가속기가 현실이 될지는 앞으로 몇 년 안에 결정될 것이다. CERN 회원국 협의회는 이제 타당성 보고서를 검토하고 2028년까지 결정을 내릴 것으로 예상된다.
출처: CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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