대형 강입자 충돌기란 무엇입니까?

세계 최대의 원자 충돌기인 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)는 프랑스-스위스 국경 아래에 길이 17마일(27km)의 고리를 형성합니다. (이미지: {Max MixiLee Bryce/CERN) "KDSP" LHC(대형 강입자 충돌기)는 현대 입자 물리학의 경이로움으로, 연구자들이 현실을 더 깊이 들여다볼 수 있게 해줍니다. 물리학자 Thomas에 따르면, 그 기원은 유럽 핵 연구 기구(CERN)의 전 이사였던 John Adams 경이 극도로 높은 에너지에 도달할 수 있는 입자 가속기를 수용할 수 있는 지하 터널 건설을 제안했던 1977년으로 거슬러 올라갑니다. Schórner Sadenius의 2015년 역사 논문,

이 프로젝트는 20년 후인 1997년에 공식적으로 승인되었으며 27km 길이의 고리에서 건설이 시작되었습니다. 이 고리는 프랑스-스위스를 횡단합니다. 경계선을 이루고 있으며 입자를 빛의 속도 99.99까지 가속하여 함께 부술 수 있습니다. 이 고리 안에는 9,300개의 자석이 두 개의 대전 입자 패킷을 초당 11,245회 반대 방향으로 유도하여 결국 정면 충돌을 일으키게 됩니다. 이 시설은 초당 약 6억 번의 충돌을 일으키며, 엄청난 양의 에너지를 방출하고 때때로 이전에는 볼 수 없었던 이상하고 무거운 입자를 방출합니다. LHC는 이전 기록을 보유한 입자 가속기인 미국의 Fermilab에서 퇴역한 Tevatron "KDSP"보다 6.5배 더 많은 에너지로 작동합니다. 대형 강입자 충돌기의 총 비용은 80억 달러이며, 이 중 5억 3100만 달러는 미국에서 조달됩니다. 60개국에서 온 8,000명 이상의 과학자들이 이 실험에 협력했습니다. 가속기는 2008년 9월 10일 처음으로 빔을 켰는데, 충돌하는 입자의 강도는 원래 설계 강도의 100만분의 1에 불과했습니다.

작동을 시작하기 전에는 새로운 원자 분쇄기가 값비싼 블랙홀을 만들어 지구를 파괴할 수 있다는 우려가 있었습니다. 그러나 평판이 좋은 물리학자라면 누구나 그러한 두려움은 근거가 없는 것이라고 말할 것입니다.

"LHC는 안전하며 위험을 초래할 수 있다는 제안은 순전히 허구입니다"라고 CERN 사무총장 로버트 엠마(Robert Emma)는 과거에 LiveScience에 말했습니다.

시설을 부적절하게 사용하더라도 잠재적으로 해롭지 않다는 의미는 아닙니다. 움직이는 항공모함의 에너지를 1mm 너비 미만으로 집중시키는 빔에 손을 대면 빔에 구멍이 뚫리고 터널의 방사선으로 인해 사망하게 됩니다. 지난 10년 동안 LHC의 두 가지 주요 실험인 ATLAS와 CMS는 각각 데이터를 운영하고 분석하면서 획기적인 연구가 진행되었습니다. 이는 두 협업이 서로 영향을 미치지 않도록 하고 각 협업이 자매 실험에 대한 확인을 제공하도록 하기 위한 것입니다. 이러한 장비는 다양한 소립자 물리학 분야에 관한 2,000개 이상의 과학 논문을 생산했습니다.

2012년 7월 4일, 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)의 연구원들이 퍼즐의 마지막 조각으로 알려진 50년 된 이론인 힉스 보손(Higgs boson)의 발견을 발표하는 것을 과학계는 숨죽여 지켜보았습니다. 물리학의 표준모델에 대한 것입니다. 표준 모형은 알려진 모든 입자와 힘(중력 제외) 및 이들의 상호 작용을 설명하려고 시도합니다. 1964년에 영국의 물리학자 피터 힉스(Peter Higgs)는 현재 그의 이름을 딴 입자에 관한 논문을 작성하여 우주에서 질량이 어떻게 생성되는지 설명했습니다.

힉스는 실제로 모든 공간에 스며들어 공간을 통과하는 모든 입자를 끌어당기는 장입니다. 일부 입자는 질량이 클수록 자기장을 더 천천히 터벅터벅 걸어갑니다. 힉스 보존은 물리학자들이 반세기 동안 추구해온 이 분야의 한 예입니다. 대형 강입자 충돌기는 결국 이 포착하기 어려운 채석장을 포착하기 위해 제작되었습니다.

힉스 입자는 결국 양성자보다 125배 더 무거운 것으로 밝혀졌고, 피터 힉스와 벨기에 이론물리학자 프랑수아 엥글레르는 힉스 입자의 존재를 예측한 공로로 2013년 노벨상을 수상했습니다. Ge Hadron Collider는 3D 아티스트가 제작했습니다. 빔 튜브는 투명한 튜브로 표현되고, 역회전하는 양성자 빔은 빨간색과 파란색으로 표시됩니다. (Daniel Dominguez/CERN)

힉스를 손에 넣었음에도 물리학자들은 표준 모형에 여전히 구멍이 있기 때문에 쉴 수가 없습니다. 첫째, 아인슈타인의 상대성 이론에서 주로 다루는 중력과 관련이 없습니다. 또한 우주가 태초에 거의 같은 양으로 생성되어야 하는 반물질이 아닌 물질로 이루어진 이유를 설명하지도 않습니다. 생성 당시 아직 발견되지 않은 암흑 물질과 암흑 에너지에 대해서는 완전히 침묵합니다.

대형 강입자 충돌기가 출시되기 전에 많은 연구자들은 다음의 위대한 이론이 알려진 모든 더 큰 쌍둥이 동반 입자에 유사하지만 엄청난 양을 추가하는 초대칭이라는 이론이 될 것이라고 말했습니다. 이러한 무거운 파트너 중 하나 이상이 암흑 물질을 구성하는 입자의 완벽한 후보가 될 수 있습니다. 더욱이 초대칭은 중력을 지배하게 되며, 이는 다른 세 가지 기본 힘보다 훨씬 약한 이유를 설명합니다. 힉스가 발견되기 전에 일부 과학자들은 보존이 결국에는 표준 모델에서 예측한 것과 약간 달라져 새로운 물리학을 암시할 것이라고 기대했습니다.

그러나 힉스 입자가 나타났을 때 그것은 표준모형이 기술하는 질량 범위 내에서 비정상적으로 정상적이었다. 이것은 표준 모형의 큰 성과였지만 물리학자들에게는 따라갈 좋은 단서가 없었습니다. 어떤 사람들은 이론상으로는 좋아 보이지만 실제 관찰과 일치하지 않는 것 같은 지난 수십 년 동안 추구된 이론에 대해 이야기하기 시작했습니다. 많은 사람들은 LHC의 다음 데이터 수집 작업이 이러한 혼란을 해소하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider)는 2년간의 업그레이드 및 유지 관리를 위해 2018년 12월 폐쇄되었습니다. 다시 온라인 상태가 되면 약간 더 많은 에너지로 원자를 부술 수 있지만 초당 충돌 횟수는 두 배 더 많아집니다. 그때 우리가 발견하게 될 것은 누구나 추측할 수 있는 것입니다. 이를 대체할 더 강력한 입자 가속기가 같은 지역에 있지만 크기는 LHC의 4배에 달한다는 이야기가 이미 나와 있습니다. 이 대규모 교체에는 20년이 걸리고 270억 달러가 소요될 수 있습니다.

추가 리소스: 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider) 가상 투어. CERN의 과학에 대해 자세히 알아보세요. 이 힉스 입자 이미지 세트를 살펴보세요