업그레이드에 들어가는 대형 강입자 가속기 (LHC)

 (Some of the 1232 dipole magnets that bend the path of accelerated protons are pictured in the Large Hadron Collider (LHC), which will be shut down for four years of renovations.)

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최근 대형 강입자 가속기(LHC)가 다시 한 번 업그레이드를 위한 가동 중단에 들어갔습니다. 이번 개보수 공사는 4년 일정으로 완공되면 고휘도 LHC(HL-LHC, High-Luminosity LHC)라는 새로운 이름을 갖게 됩니다. HL-LHC 입자 가속기는 2030년 6월에 가동을 시작하여 약 10년 동안 운영될 예정입니다.

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제네바 인근 유럽 물리학 연구소 CERN의 중심부에 위치한 길이 27km의 원형 터널에 건설된 LHC는 '신의 입자'라고 불리는 힉스 보손의 존재를 증명하는 등 수많은 과학적 성과를 거둔 상태이지만, 아직 우리가 모르는 부분과 알아내야 할 질문들이 많이 남아 있습니다.

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더 많은 정보을 얻기 위해서는 결국 에너지를 올려 더 많은 입자들을 얻어내야 합니다. HL-LHC의 주요 목표는 LHC의 integrated luminosity(적산 광도)를 원래 설계값 대비 10배 증가시켜 단위 시간·면적당 발생 가능한 입자 충돌 수를 높이는 것입니다. 당연히 이 값이 높을수록 희귀 현상을 관측하기 유리합니다. 현재 LHC는 빔 교차 시 약 60회 충돌 가능한 수준이라면 HL-LHC는 140~200회 충돌이 가능해 훨씬 많은 정보를 얻을 수 있습니다.

HL-LHC는 LHC 터널의 1.2km 구간을 완전히 새로 교체합니다. 주요 기술 업그레이드는 다음과 같습니다.

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1. Nb₃Sn 초전도 자석 (Triplet Quadrupole Magnets):

기존 LHC: 8.3–8.6 Tesla.

HL-LHC: 11–12 Tesla (Nb₃Sn 재질, aperture 150mm).

ATLAS와 CMS 검출기 주변에 설치되어 빔을 더 세밀하게 집중.

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2. Crab Cavities:

빔에 횡방향 운동량(transverse kick)을 주어 충돌 각도를 최적화 → 충돌 확률 증가.

ATLAS와 CMS 각각 8개씩 총 16개 설치.

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3. 기타 기술:

새로운 collimators (빔 제어·보호 장치): 60개 교체 + 20개 추가 (고에너지 입자에 의한 손상 방지).

고전류 초전도 링크, 저임피던스 빔 스크린, 정밀 전력 변환기 등.

극저온(cryogenic) 시스템 강화.

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4. 검출기(ATLAS, CMS) 업그레이드

검출기도 HL-LHC의 높은 충돌률(초당 수십억 건)에 대응하도록 대대적으로 개조됩니다:

새로운 Inner Tracker (ITk): 전체 실리콘 기반 (Pixel + Strip), 세계 최대 규모 실리콘 픽셀 검출기 (13m², 50억 채널).

고정밀 타이밍 검출기 (30–50 ps 해상도).

전자장비·트리거 시스템 업그레이드 (AI 지원 실시간 이벤트 선별).

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이번 업그레이드를 통해 HL-LHC는 힉스 보존 생성 능력이 10년의 수명 기간 동안 약 3억 8천만 개로 늘어날 것으로 예상됩니다. 이는 2008년 LHC 가동 시작 이후 발견된 5천 5백만 개와 비교해 대폭 늘어난 것으로 단순히 숫자를 늘리는 게 아니라 최초로 두 개의 힉스 보손을 동시에 생성하고 그 상호작용을 관찰해 빅뱅 직후 우리 우주가 어떻게 진화했는지에 대한 중요한 단서를 찾는 것입니다. 동시에 암흑물질 후보 입자 탐색, 초대칭성(Supersymmetry) 등 새로운 물리 현상 발견 가능성이 크게 높아질 것으로 기대하고 있습니다.

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이번 업그레이드에 드는 총비용은 12억 스위스 프랑(15억 달러)에 달할 것으로 예상됩니다. 이는 CERN 회원 회비와 미국, 일본, 캐나다, 중국 등을 포함한 국가들의 총액의 10~15%에 해당하는 현물 기부로 충당될 예정입니다.

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2030년대 HL-LHC의 활약을 기대합니다.

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참고

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https://en.wikipedia.org/wiki/High_Luminosity_Large_Hadron_Collider

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https://phys.org/news/2026-06-world-largest-particle-smasher-halts.html

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