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- 4월 22일 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)는 변환 위해 3년 간 중지 끝
- LHC에서 여러 초전도 자석 교체하고 냉각 시스템을 최적화
- 네 번째인 ALICE 감지기는 50배 더 ​​많은 중이온 충돌 기록 가능
- 부 검출기인 FASERν는 충돌 및 붕괴 중에 방출되는 중성미자를 포착할 수도

LHC(대형 강입자 충돌기) 재부팅
세계에서 가장 강력한 입자 가속기가 "새로운 물리학"의 증거를 제공할 수 있다.

지구상에서 가장 크고 강력한 입자 가속기가 다시 작동한다.
4월 22일 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)는 변환을 위해 3년간의 일시 중지를 종료했다. 첫 번째 양성자는 가속기 링에서 다시 한 번 순환했다. 이제 더 높은 에너지와 더 많은 충돌이 가능하며 4개의 대형 감지기가 더욱 최적화됐다. 이제 표준 모델과의 편차 표시를 확증할 수 있다. 또한 2개의 새로운 탐지기가 암흑 물질 입자를 특별히 검색할 것이다. 

▲ 2022년 4월 22일: LHC의 제어실에서 첫 번째 양성자 빔을 기다리고 있다. © CERN/ Julien Marius Ordan, Jacques Herve Fichet

이것은 지금까지 세계에서 가장 큰 기계다.
2008년부터 LHC(Large Hadron Collider)의 27km 고리는 에너지를 기록하고 충돌할 수 있도록 양성자와 무거운 원자핵을 가속시켜 왔다. 힉스 입자는 2012년 입자 탐지기에서 감지되었다. 그러나 그 이후로 입자 가속기의 두 번째 실행에서 두 배의 성능을 발휘했음에도 불구하고 주요 발견이 없어 많은 물리학자들이 실망했다.

최근 몇 년 동안 LHC의 데이터는 입자 물리학의 확립된 표준 모델을 넘어서는 입자와 힘이 있을 수 있다는 증거를 최소한 제공했다. 여기에는 B 중간자 붕괴의 LHC에서 발견된 이상과 뷰티 쿼크 붕괴의 이상도 포함된다. 그러나 지금까지 이러한 변칙성은 공식적으로 발견으로 간주될 만큼 중요하지 않았다.

▲ 수정 및 개선을 위해 3년 동안 중단된 후 LHC(Large Hadron Collider)가 이제 세 번째 런타임을 시작한다. © CERN/ Daniel Dominguez

세 번 째 런타임

이제 변경될 수 있다. 3년 간의 전환 중단 후 Large Hadron Collider가 이제 다시 시작됐다. 2022년 4월 22일, 양성자는 처음으로 두 개의 반대 흐름으로 가속기 링을 순환했다. LHC 빔 제어 책임자인 로드리 존스(Rhodri Jones)는 "이 입자 빔은 여전히 ​​상대적으로 적은 양의 양성자를 포함하고 낮은 에너지에만 도달했다. 양성자는 고리에 주입된 에너지인 450기가전자볼트에서만 순환했다”고 설명했다.

"그러나 이 첫 번째 광선은 ‘Long Shutdown’의 모든 힘든 작업을 마친 후 가속기의 성공적인 재시작을 표시한다"고 Jones는 설명했다. 앞으로 몇 주와 몇 달 동안 LHC 팀은 에너지를 천천히 증가시키고 모든 구성 요소와 4개의 대형 검출기 ATLAS, CMS, LHCb 및 ALICE의 기능을 테스트할 것이다. 여름에는 4년으로 예정된 입자가속기 데이터 수집 3차 기간이 시작된다.

더 높은 에너지와 더 많은 충돌

리노베이션 중단 기간 3년 동안 CERN은 가속기 자체와 4개의 대형 감지기에 대한 광범위한 수정을 수행해 구성 요소의 성능과 감도를 다시 한 번 크게 향상시켰다. 예를 들어, LHC에서 여러 초전도 자석을 교체하고 냉각 시스템을 최적화했으며 유입 링 가속기를 업그레이드하여 되도록 했다.

이것은 달성 가능한 충돌 에너지를 13.4테라전자볼트(새로운 기록 값)로 높인다. 더 중요한 것은 고리에서 가속되는 양성자의 양과 밀도도 크게 증가한다는 것이다. 이것은 검출기의 충돌 횟수를 증가시키고 따라서 덜 자주 발생하는 입자 및 효과를 발견할 기회도 많아진다.

▲ 다른 세 가지 대규모 실험과 마찬가지로 업그레이드 및 최적화된 개방형 CMS 감지기의 보기다. © CERN/ Samuel Joseph Hertzog

ATLAS 등 검출기를 위한 더 나은 입자 포집기

충돌로 인한 입자 유입 증가를 평가할 수 있도록 LHC의 4가지 주요 실험에도 새롭고 향상된 입자 센서 및 분석 기술이 적용됐다. ATLAS 검출기에서는 크기가 거의 10미터에 달하는 링 모양의 뮤온 센서가 리뉴얼되어 초당 약 4천만 건의 충돌로 방출되는 입자에 대한 감도와 분해능이 향상됐다.

CMS 검출기 역시 새로운 센서와 픽셀 트래커를 받았고, 이전에 이 지역에서 스테인리스 스틸로 만들어진 빔 튜브를 알루미늄 합금으로 만든 새 것으로 교체했다. CERN 보고서에 따르면 업그레이드 덕분에 ATLS와 CMS는 이전 두 런타임을 결합한 것보다 새로운 런타임에서 더 많은 충돌을 처리하고 분석할 수 있게 될 것이다.

뷰티 쿼크 붕괴를 위해 설계된 LHCb 검출기는 거의 완전히 새로워졌으며 이제 이전보다 3배 더 많은 충돌을 평가할 수 있다. 따라서 그는 지난 런 타임에 이러한 붕괴에서 이미 관찰된 이상 현상을 확인하고 입증할 수 있었다.

그룹의 네 번째인 ALICE 감지기는 수많은 새로운 입자 추적기를 도입했으며 앞으로 이전보다 50배 더 ​​많은 중이온 충돌을 기록할 수 있게 될 것이다.

두 개의 새로운 암흑 물질 탐지기

새로운 런타임의 경우 LHC도 두 가지 새로운 실험으로 보완됐다. 순방향 탐색 실험(FASER)은 ATLAS 감지기 뒤 480m에 위치하며 특히 빛과 약하게 상호 작용하는 입자만 감지하는 데 특화돼 있다. 오랫동안 찾아온 암흑 물질 입자가 그 사이에 숨겨져 있을 수 있다. 부 검출기인 FASERν는 충돌 및 붕괴 중에 방출되는 중성미자를 포착할 수도 있다. 이 중성미자도 암흑 물질의 본질에 대한 단서를 제공할 수 있다.

새로운 산란 및 중성미자 검출기(SND@LHC)도 중성미자를 위해 설계됐다. 그러나 FASERν와 달리 이 새로운 감지기는 가속기 링에 직접 위치하지 않고 약간 측면에 있다. 이를 통해 그는 더 큰 각도에서 양성자 충돌에서 나오는 중성미자도 감지할 수 있다. 이것은 또한 암흑 물질의 입자를 최종적으로 식별하는 데 도움이 될 수 있다.
출처: CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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