엔지니어들이 물리학을 깨려고 시도하는 4가지 방법 Four Ways Engineers Are Trying to Break Physics
쿼크 없는 초충돌기가 마침내 암흑 물질에 빛을 비출 수 있다
Four Ways Engineers Are Trying to Break Physics
https://spectrum.ieee.org/supercolliders
입자물리학 에서는 가장 작은 문제에 가장 큰 해결책이 필요한 경우가 많습니다.
프랑스 와 스위스 국경을 따라 , 시골에서 약 100m 떨어진 곳에서 양성자는 27km의 링을 통과합니다 . 이는 인디 500 서킷의 약 7배 길이입니다. 양성자는 반대 방향으로 가는 양성자와 충돌할 때까지 속도를 냅니다. 이러한 입자 쌓임은 매초 1 페타바이트 의 데이터를 생성하는데, 그 중 가장 흥미로운 것은 전 세계 수천 명의 물리학자가 접근할 수 있는 데이터 센터 에 쏟아집니다 .
아마도 지금까지 설계된 가장 큰 실험이라고 할 수 있는 대형 강입자 충돌기 (LHC)는 우주의 가장 작은 구성 요소를 조사하는 데 필요합니다. 2012년, LHC의 두 팀이 50년 된 질량의 기원에 대한 이론을 확증한 입자인 이해하기 힘든 히그스 보손을 발견했습니다 . 이는 노벨상 과 전 세계적인 찬사 로 이어진 과학적 승리였습니다 .
그 이후로 LHC의 실험은 새로 발견된 히그스가 표준 모형에 어떻게 들어맞는지 더 잘 이해하는 데 집중했습니다. 표준 모형은 입자 물리학자들이 중력을 제외한 물질과 힘에 대한 가장 좋은 이론적 설명 입니다. 에든버러 대학교의 실험 물리학자인 빅토리아 마틴은 "표준 모형은 아름답습니다."라고 말합니다. "정확하기 때문에 모든 작은 잔소리가 눈에 띄죠."
표준 모형에 대한 물리학자들의 사소한 불평은 새로운 입자로 설명될 수 있다. 우주를 형성하는 중력을 가진 보이지 않는 물질인 암흑 물질은 지금까지 발견되지 않은 입자로 구성되어 있다고 생각된다. 그러나 이러한 새로운 입자는 LHC가 이번 10년 후에 완료될 예정인 업그레이드를 거친 후에도 도달할 수 없을 수도 있다. 이러한 남아있는 의문을 해결하기 위해 입자 물리학자들은 후속 입자를 계획해 왔다 . 이 차세대 충돌기는 양성자를 더 높은 에너지로 충돌시키거나 뮤온 , 반뮤온, 전자 및 양전자 와 더 정밀하게 충돌시킴으로써 LHC를 개선할 것이다 . 그렇게 함으로써 연구자들은 완전히 새로운 물리학 영역을 들여다볼 수 있게 될 것이다.
마틴 자신은 특히 히그스에 대해 더 많이 알고, 질량을 담당하는 입자가 정확히 어떻게 행동하는지 아는 데 관심이 있습니다. 가능한 발견 중 하나는 히그스의 속성이 우주가 장기적으로 안정적이지 않을 수 있음을 시사한다는 것입니다. [편집자 주: 약 10,790 년 . 다른 문제가 더 시급할 수 있습니다.] "우리는 정확히 무엇을 발견할지 모릅니다." 마틴이 말합니다. "하지만 괜찮습니다. 과학이고 연구이기 때문입니다."
새로운 충돌기에 대한 네 가지 주요 제안이 있으며, 각각 고유한 엔지니어링 과제가 있습니다. 이를 구축하려면 엔지니어가 까다로운 지역 지질을 탐색 하고, 가속 공동을 설계하고, 공동 내의 과도한 열을 처리하고, 이러한 공동을 통해 입자를 휘젓기 위한 강력한 새로운 자석을 개발해야 합니다. 하지만 아마도 더 두려운 것은 지정학적 장애물일 것입니다. 다국적 자금 지원 약속을 조정하고 관료적 진흙을 헤쳐 나가는 것입니다.
충돌기 프로젝트는 계획하는 데 수년이 걸리고 자금 조달에는 수십억 달러가 필요합니다. 네 대의 기계 중 가장 빨리 가동되는 것은 2030년대 후반입니다. 하지만 지금은 물리학자와 엔지니어가 다음에 무엇이 올지에 대한 중요한 과학적, 공학적 결정을 내리는 시점입니다.
미래의 가능한 초거대 충돌기
LHC는 양성자와 다른 하드론을 충돌시킵니다 . 하드론은 쿼크와 글루온으로 가득 찬 빈백과 같아서 충돌 시 사방으로 흩어집니다.
차세대 충돌기는 LHC를 개선하는 두 가지 방법이 있습니다. 더 높은 에너지 또는 더 높은 정밀도로 갈 수 있습니다. 더 높은 에너지는 더 많은 입자(잠재적으로 새롭고 무거운 입자)를 생성하여 더 많은 데이터를 제공합니다. 더 높은 정밀도의 충돌은 입자 충돌로 인해 파편이 덜 생성되기 때문에 물리학자에게 더 깨끗한 데이터와 더 나은 신호 대 잡음비를 제공합니다. 두 가지 접근 방식 모두 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학을 보여줄 수 있습니다.
새로운 충돌기 중 세 개는 하드론 대신 전자와 반물질 대응 물인 양전자를 충돌시켜 LHC의 정밀도를 개선할 것입니다 . 이 입자는 개별 구슬과 더 비슷합니다. 훨씬 가볍고 더 작은 구성 요소로 구성되지 않았습니다. 지저분하고 빈백과 같은 하드론 간의 충돌과 비교하면 전자와 양전자 간의 충돌은 훨씬 더 깨끗합니다. 수년간 데이터를 수집한 후, 이러한 충돌기 중 일부는 LHC보다 약 8배 높은 에너지로 양성자를 충돌시키는 것으로 전환될 수도 있습니다.
이러한 새로운 충돌기는 기술적으로 성숙한 것부터 추측적인 것까지 다양합니다. 그러한 추측적인 옵션 중 하나는 이전에 충돌한 적이 없는 전자의 더 무거운 사촌인 뮤온을 부수는 것입니다. 2023년에 영향력 있는 입자 물리학자 패널은 미국이 소위 '뮤온 샷'에서 그러한 기계의 개발을 추진할 것을 권고했습니다 . 뮤온 충돌기가 건설된다면 미국의 입자 물리학의 중심지인 페르미랩 에 기반을 둘 가능성이 큽니다 .
뮤온 충돌기는 "우리가 아는 세상 밖으로 우리를 데려갈 수 있습니다."라고 CERN( 유럽 원자핵 연구 기구 )에서 뮤온 충돌기 설계를 연구하는 물리학자 다니엘 칼졸라리는 말합니다 . "우리는 모든 것이 정확히 어떻게 보일지 모르지만, 우리는 그것을 작동시킬 수 있다고 믿습니다."
뮤온 충돌기는 50년 이상 개념적으로 남아 있었지만, 그 잠재력은 오랫동안 물리학자들을 흥분시키고 매료시켰습니다. 뮤온은 전자에 비해 무겁고, 양성자와 거의 비슷하지만, 쿼크와 글루온의 혼란이 없기 때문에 뮤온 간의 충돌은 고에너지와 고정밀을 모두 가질 수 있습니다.
문제는 뮤온이 빠르게 붕괴된다는 것입니다. 정지 상태에서는 단 2.2마이크로초 만에 붕괴되기 때문에 만료되기 전에 냉각, 가속 및 충돌해야 합니다. 예비 연구에 따르면 뮤온 충돌기가 가능하지만 냉각에 사용되는 강력한 고자기장 솔레노이드 자석과 같은 핵심 기술은 아직 개발이 필요합니다. 2025년 3월, 칼졸라리와 그의 동료들은 냉각 기술의 예비 시연을 위한 내부 제안을 제출했으며, 이는 10년이 끝나기 전에 이루어지기를 바랍니다.
이론적으로 가장 빨리 가동될 수 있는 가속기는 일본 이와테에 있는 국제선형충돌기(ILC)입니다 . ILC는 전자와 양전자를 직선 터널로 보내 입자가 충돌하여 LHC보다 감지하기 쉬운 히그스 보손을 생성합니다. 충돌기의 설계는 기술적으로 성숙했으므로 일본 정부가 공식적으로 프로젝트를 승인하면 거의 즉시 공사를 시작할 수 있습니다. 하지만 정부의 여러 차례 지연 으로 인해 ILC는 일종의 계획 연옥에 머물러 있으며 점점 더 가능성이 낮아 보입니다.
따라서 기술적으로 성숙되었고 건설 가능성이 가장 확실한 두 충돌기는 중국의 원형 전자 양전자 충돌기(CEPC)와 CERN의 미래 원형 충돌기 (FCC-ee)일 것입니다.
CERN의 FCC-ee는 91km 링으로, 처음에는 전자와 양전자를 충돌시켜 히그스 입자와 같은 입자의 매개변수를 세부적으로 연구하도록 설계되었습니다("ee"는 전자와 양전자 간의 충돌을 나타냄). FCC-ee 노력의 책임자인 Michael Benedikt는 LHC의 양성자 또는 중이온 충돌과 비교할 때 전자와 양전자 간의 충돌은 "훨씬 더 깨끗해서 더 정확한 측정이 가능합니다."라고 말합니다. 약 10년 동안 운영한 후(데이터를 수집하고 필요한 자석을 개발하기에 충분한 시간) 양성자를 충돌시키고 훨씬 더 높은 에너지에서 새로운 물리학을 검색하도록 업그레이드 될 것입니다(그러면 하드론을 의미하는 FCC-hh로 알려짐). FCC-ee의 타당성 보고서는 방금 끝났고 , CERN 회원국은 이제 프로젝트를 추진할지 여부를 결정해야 합니다.
마찬가지로 중국의 CEPC도 처음 18년 동안 전자와 양전자를 충돌시키도록 설계된 100km 링이 될 것입니다. 그리고 FCC와 마찬가지로 양성자 또는 기타 하드론 업그레이드가 그 후에 진행 중입니다. 올해 말, 중국 연구자들은 다음 5개년 계획의 일환으로 CEPC를 중국 정부의 공식 승인을 위해 제출할 계획입니다. 두 개의 충돌기(및 양성자 업그레이드)가 향후 몇 년 안에 건설될 것으로 고려됨에 따라 정책 입안자들은 발견 가능성 그 이상을 생각할 것입니다.
이런 의미에서 CEPC와 FCC-ee는 추상적인 물리학 실험이라기보다는 구체적인 설계 과제를 안고 있는 엔지니어링 프로젝트에 가깝습니다.
기초를 마련하다
입자가 충돌기의 곡선을 따라 빠르게 돌 때 에너지를 잃는데, 이는 경주로에서 브레이크를 밟는 자동차와 비슷합니다. 이 효과는 전자와 양전자와 같은 가벼운 입자에서 특히 두드러집니다. 급격한 회전으로 인한 에너지 손실을 줄이기 위해 CEPC와 FCC-ee는 모두 거대한 터널을 건설할 계획이며, 이 터널은 건설된다면 세계에서 가장 긴 터널 중 하나가 될 것입니다. 이렇게 거대한 터널의 건설 비용은 수십억 달러가 될 것이며, 이는 충돌기 전체 가격의 약 3분의 1에 해당합니다.
90km 링을 묻을 장소를 찾는 것은 쉽지 않은데, 특히 스위스에서는 더욱 그렇습니다. FCC-ee의 제안 경로는 평균 깊이가 200m이고, 제네바 호수 아래로 500m까지 내려가며, 북서쪽의 쥐라 산맥과 동쪽의 프리알프스 사이에 꼭 들어맞습니다. 그곳의 땅은 한때 바다로 덮여 있었고, 퇴적암이 남았습니다. 사암과 셰일이 섞인 당밀이라고 합니다. CERN의 토목 엔지니어인 리엄 브로밀리는 "우리는 이전에 CERN에서 터널링을 많이 했습니다. 우리는 당밀 암석에 대해 꽤 확신했습니다."라고 말합니다.
하지만 FCC-ee의 경로는 또한 투과성이 있고 카르스트 또는 물로 가득 찬 공동을 유지할 수 있는 석회암 퇴적물을 통과합니다. "그 중 하나에 부딪히면 터널이 침수될 수 있습니다."라고 Bromiley는 말합니다. 향후 2년 동안 프로젝트가 승인되면 엔지니어는 피할 수 있는 카르스트가 있는지 확인하기 위해 석회암에 시추공을 뚫을 것입니다.
반면 CEPC는 공간적 제약이 훨씬 더 느슨하여 중국 내 거의 모든 곳을 선택할 수 있습니다 . 고려 중인 주요 장소는 세 곳, 즉 친황다오(북부 항구 도시), 창사(중국 중부의 대도시), 후저우( 상하이 근처의 해안 도시)입니다. 베이징의 고에너지 물리학 연구소의 입자 물리학자인 지에 가오에 따르면 , 이상적인 위치는 화강암과 같은 단단한 암석과 낮은 지진 활동이 있는 곳입니다. 또한 가오는 국제 물리학자 커뮤니티에 이상적인 "과학 도시"를 만들기 위해 좋은 인프라가 갖춰진 장소를 원한다고 말합니다.
충돌기의 탄소 발자국도 물리학자들의 관심사입니다. 잠재적인 에너지 절약 대책 중 하나는 운영에서 발생하는 과도한 열을 다른 곳으로 돌리는 것입니다. "과거에는 대기로 방출하곤 했습니다." 베네딕트가 말합니다. 최근 몇 년 동안 LHC의 냉각 스테이션 중 하나에서 나오는 가열된 물이 페르네이-볼테르 공동체의 일부를 겨울 동안 따뜻하게 유지해 왔으며, 베네딕트는 FCC-ee가 이러한 환경적 노력을 확대할 것이라고 말합니다.
속도를 높이다
토목공학적 과제가 해결된다면 물리학자들은 CEPC와 FCC-ee에서 전자와 양전자를 가속하고 집중시키고 충돌시키는 다양한 기술을 사용하여 LHC에서보다 더 정확하고 효율적으로 작업할 수 있을 것입니다.
두 유형의 입자가 처음 소스에서 생성될 때, 그들은 비교적 낮은 에너지, 약 4기가 전자 볼트에서 시작합니다. 속도를 높이기 위해 전자와 양전자는 초전도성 무선 주파수 (SRF) 공동을 통해 보내집니다. 이 공동은 목걸이의 구슬처럼 함께 엮인 반짝이는 금속 거품으로, 대전된 입자를 앞으로 밀어내는 전기장을 적용합니다.
과거에는 SRF 캐비티를 용접하여 빔 불안정성을 유발하는 결함을 본질적으로 남겼습니다. Benedikt는 "이 용접을 따라 완벽한 표면을 얻을 수는 없습니다."라고 말합니다. FCC-ee 연구원들은 하이엔드 스포츠카의 구성 요소에 널리 사용되는 하이드로포밍을 포함하여 이음매 없는 캐비티를 만드는 여러 기술을 탐구했습니다. 금속 튜브를 가압 셀에 넣고 액체로 다이에 압축합니다. 그 결과 캐비티는 이음매가 없고 불어 만든 유리처럼 매끄럽습니다.
효율성을 개선하기 위해 엔지니어는 클라이스트론 이라 불리는 SRF 캐비티에 전력을 공급하는 기계에 집중합니다 . 클라이스트론은 역사적으로 약 65%의 효율성을 보였지만, 전자를 함께 묶는 기계의 능력과 같은 설계 발전으로 80%의 효율성에 도달할 예정입니다. 가오는 "클라이스트론의 효율성이 매우 중요해지고 있습니다."라고 말합니다. 10년 이상 운영하면 이러한 절감은 1테라와트시에 이를 수 있으며, 이는 중국 전역에 1시간 동안 전력을 공급할 수 있는 전기량에 해당합니다.
또 다른 효율성 향상은 터널 설계에 집중함으로써 이루어집니다. 전자와 양전자는 링의 곡선을 따라가면서 상당한 양의 에너지를 잃게 되므로, 입자 에너지를 높이기 위해 링 주위에 SRF 공동을 배치합니다. 손실된 에너지는 강력한 싱크로트론 복사 로 방출됩니다. 오늘날 LHC를 도는 양성자가 방출하는 복사의 약 10,000배에 달하는 복사 입니다. Benedikt는 " 싱크로트론 복사를 검출기로 보내고 싶지 않을 것입니다 ."라고 말합니다. 이러한 운명을 피하기 위해 FCC-ee와 CEPC는 모두 완벽한 원형이 되지 않습니다. 경주로와 약간 비슷한 모양을 한 두 충돌기는 상호 작용 지점 전에 약 1.5km 길이의 직선 구간을 갖게 됩니다. 다른 옵션도 고려 중입니다. 과거에는 연구자들이 폐기된 2차 세계 대전 전함에서 재활용된 강철을 사용하여 입자 검출기를 복사로부터 보호하기도 했습니다.
CEPC와 FCC-ee는 모두 거대한 데이터 생성 기계가 될 것입니다. 새로운 입자를 삽입하기 위해 정기적으로 멈추는 LHC와 달리, 차세대 충돌기는 입자의 연속적인 흐름으로 공급되어 "충돌 모드"를 유지하고 더 많은 데이터를 수집할 수 있습니다.
충돌기에서 데이터는 '광도'의 함수입니다. 즉, 제곱 센티미터당, 초당 감지된 이벤트의 비율입니다. 입자 충돌이 많을수록 충돌기가 "더 밝아집니다". 입자를 서로 발사하는 것은 두 개의 총알을 충돌시키려는 것과 비슷합니다. 종종 서로 빗나가기 때문에 광도가 제한됩니다. 하지만 물리학자들은 더 많은 전자와 양전자를 더 작은 영역에 압축하여 이러한 예상치 못한 충돌을 더 많이 달성하기 위한 다양한 전략을 가지고 있습니다. 1990년대의 대형 전자-양전자 (LEP) 충돌기와 비교했을 때, 새로운 기계는 방사성 붕괴를 담당하는 입자인 Z 보손을 100,000배 더 많이 생성합니다. Z 보손이 많을수록 데이터가 더 많아집니다. Benedikt는 "FCC-ee는 10년간의 LEP 운영을 통해 축적된 모든 데이터를 몇 분 안에 생성할 수 있습니다."라고 말합니다.
양성자로 돌아가기
FCC-ee와 CEPC는 모두 전자와 양전자로 시작하지만, 결국 양성자와 충돌하도록 설계되었습니다. 이러한 업그레이드는 FCC-hh와 Super proton-proton Collider(SPPC)라고 합니다. 양성자를 사용하면 FCC-hh와 SPPC는 LHC의 13,600GeV보다 약 10배 더 높은 100,000GeV의 충돌 에너지에 도달합니다. 충돌은 지저분할 수 있지만, 높은 에너지 덕분에 물리학자들은 "완전히 새로운 영역을 탐험"할 수 있을 것입니다. Benedikt는 보장은 없지만, 물리학자들은 암흑 물질 입자나 히그스가 여러 번 재귀적으로 상호 작용하는 이상한 새로운 충돌과 같은 발견이 기다리고 있는 영역이 가득하기를 바랍니다.
양성자의 장점 중 하나는 전자보다 1,800배 이상 무거워서 충돌기 링의 곡선을 따라가면서 훨씬 적은 방사선을 방출한다는 것입니다. 하지만 이 추가적인 무게에는 상당한 비용이 따릅니다. 양성자의 경로를 구부리려면 훨씬 더 강한 초전도 자석이 필요합니다.
자석 개발은 이전에 충돌기의 몰락을 초래했습니다. 1980년대 초, Isabelle 이라는 이름의 계획된 충돌기는 자석 기술이 충분히 발전하지 않아 폐기되었습니다. LHC의 자석은 니오븀-티타늄의 강력한 합금으로 만들어졌으며, 전류에 노출되면 자기장을 생성하는 코일로 감겨 있습니다 . 이 코일은 8테슬라 이상의 자기장 세기를 생성할 수 있습니다. 자석의 강도는 미터당 약 600톤의 힘으로 두 개의 반쪽을 밀어냅니다. CERN의 자석 전문가인 Bernhard Auchmann은 "코일의 회전이 단 10마이크로미터만큼 갑자기 움직이면" 자석 전체가 고장날 수 있다고 말합니다.
중국, CERN, 미국, 일본 등 어디에 기반을 둔 Collider라도 혼자서 이를 수행할 가능성은 거의 없습니다.
FCC-hh 및 SPPC용 미래 자석은 최소한 16~20T의 자기장 강도를 가져야 하며, 이는 재료와 물리학의 한계를 뛰어넘습니다.Auchmann은 앞으로 나아갈 수 있는 세 가지 가능한 경로를 지적합니다.가장 간단한 옵션은 "니오븀 3 주석" (Nb 3 Sn) 일 수 있습니다. 티타늄을 주석으로 대체하면 금속이 최대 16T의 자기장을 수용할 수 있지만 매우 취성이 강해져서 "완전히 고정할 수 없습니다."라고 Auchmann은 말합니다.가능한 한 가지 해결책은 (Nb 3 Sn)을 자체적으로 압착하는 것을 방지하는 보호용 강철 엔도 스켈레톤에 넣는 것입니다.
고온 초전도체 도 있습니다 . 일부 산화구리 기반 자석은 20T를 초과할 수 있지만, 너무 취약하거나 충분히 일정한 자기장을 생성하지 못합니다. 현재 이러한 소재는 비싸지만, 이러한 유형의 자석을 필요로 하는 핵융합 스타트업 의 수요가 가격을 낮출 수 있다고 Auchmann은 말합니다.
마지막으로, 중국의 물리학자들이 철의 낮은 가격과 제조 공정 개선 덕분에 옹호하고 있는 철 기반 고온 초전도체 계열이 있습니다 . "저렴합니다."라고 가오는 말합니다. "이 기술은 매우 유망합니다." 앞으로 10년 정도 동안 물리학자들은 이러한 각 소재에 대해 연구하고 차세대 자석에 대한 한 가지 방향을 정하기를 바랄 것입니다.
시간과 돈
FCC-ee와 CEPC(그리고 양성자 업그레이드)는 많은 동일한 기술 사양을 공유하지만, 일정과 정치적 측면이라는 두 가지 중요한 요소에서 엄청난 차이가 있습니다.
CEPC 건설은 2년 안에 시작될 수 있지만 FCC-ee는 약 10년을 더 기다려야 합니다. 차이는 주로 CERN이 LHC를 업그레이드할 계획이라는 사실에서 비롯됩니다. 이를 통해 10배 더 많은 데이터를 수집할 수 있으며, 이는 2040년까지 리소스를 소모할 것입니다. 반면 중국은 기초 연구에 막대한 투자를 하고 있으며 즉시 자금을 확보할 수 있습니다.
충돌기에서 일어나는 난해한 물리학은 보이는 것만큼 지구의 정치적 현실과 거리가 멀지 않습니다. 일본의 ILC는 예산 문제로 난처한 처지에 있습니다. 뮤온 충돌기는 매우 분열된 제119대 미국 의회의 변덕에 따라 움직입니다. 작년에 독일 대표는 FCC-ee가 감당할 수 없다고 비판했고, CERN은 러시아 과학자를 포함하는 것에 대한 정치적 문제로 계속 어려움을 겪고 있습니다. 트럼프 행정부의 관세 이후 중국과 미국 간의 긴장도 마찬가지로 고조되고 있습니다 .
물리학자들이 이러한 실질적인 문제를 어떻게 해결할 계획인지는 아직 알 수 없습니다. 하지만 중국, CERN, 미국 또는 일본에 있는 어떤 충돌기도 단독으로 이를 수행할 수 있을 가능성은 낮습니다. 새로운 시설의 건설 및 운영에 수천억 달러가 소요되는 것 외에도 이를 운영하고 대규모로 복잡한 실험을 수행하는 데 필요한 물리학 전문 지식은 글로벌해야 합니다. 가오는 "정의상 국제적인 프로젝트입니다."라고 말합니다. "문은 활짝 열려 있습니다."
Four Ways Engineers Are Trying to Break Physics
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