LHC 업그레이드를 위한 케이블링 마무리

May 30, 2023

우주가 어떻게 작동하는지 더 잘 이해하기 위해 연구자들은 세계에서 가장 강력한 입자 가속기인 LHC(Large Hadron Collider)를 업그레이드하고 있습니다. 오늘 에너지부 산하 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab) 팀은 업그레이드의 중요한 단계를 완료하여 2220km(1367마일) 이상의 와이어를 LHC의 차세대 초점 자석용 케이블로 전환했습니다.

자석은 동종 중에서 가장 강력하며 LHC의 두 범용 탐지기인 ATLAS와 CMS의 충돌 횟수를 크게 증가시킵니다. 충돌이 많을수록 더 많은 데이터가 생성됩니다. 즉, 과학자들은 희귀하고 발견되지 않은 현상을 더 잘 검색하고 질량의 기원, 암흑 물질 및 암흑 에너지의 본질과 같은 물리학의 가장 큰 신비를 조사할 수 있습니다.

버클리 자석 기술 센터 소장인 소렌 프레스몬(Soren Prestemon)은 “초전도 자석은 LHC에서 생산되는 과학을 가능하게 하며 우리는 자석 기술의 최전선을 추진하는 뛰어난 다중 연구실 팀을 보유하고 있습니다.”라고 말했습니다. "처음으로 우리는 작동하는 충돌기에서 니오븀-주석 초전도체의 특별한 특성을 활용할 것입니다."

자석을 만드는 첫 번째 단계는 초전도 선을 케이블로 변환하여 자석 코일로 감을 수 있는 것입니다. 그러나 이러한 케이블을 만드는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 111개의 케이블 각각은 스테인레스 스틸 코어 주위에 40개의 개별 와이어 가닥을 감싸서 만들어진 하나의 연속적인 조각입니다. 전체 길이(일반적으로 470미터)를 따라 하나의 와이어라도 다른 와이어와 교차하면 케이블이 손상될 수 있습니다. 이를 위해서는 Berkeley Lab의 ATAP(Accelerator Technology & Applied Physics) 부서와 엔지니어링 부서 전문가의 협력이 필요했습니다.

"우리는 마치 발레단의 이사와 같습니다."라고 ATAP의 케이블링 작업을 이끄는 과학자 Ian Pong이 말했습니다. "우리는 40명의 댄서(와이어 스풀)가 약 3시간 동안 원을 그리며 피루엣을 하고 있으며, 전체 공연 중에 한 걸음도 놓친 일이 없도록 하는 것이 우리의 책임입니다."

케이블 제작은 고광도 LHC(HL-LHC) 프로젝트에 대한 미국의 기여인 AUP(가속기 업그레이드 프로젝트)의 일부입니다. AUP용 자석을 설계, 생산 및 테스트하기 위해 버클리 연구소, 브룩헤이븐 국립 연구소, 플로리다 주립 대학 국립 고자기장 연구소, 프로젝트를 주도하는 페르미 국립 가속기 연구소 등 4개 기관이 협력하여 AUP용 자석을 설계, 생산 및 테스트합니다.

"자석 제작 과정의 각 단계는 똑같이 중요하지만 먼저 고품질 초전도 케이블이 없으면 다른 단계는 수행될 수 없습니다."라고 ATAP의 과학 엔지니어링 동료이자 작업 부책임자인 Mike Naus가 말했습니다.

2016년부터 Berkeley Lab은 AUP 케이블을 감아 자석이 되기까지 몇 달 간의 여정을 보냈습니다. 케이블은 Brookhaven 연구소와 Fermilab에서 감겨지고 열처리된 후 Berkeley 연구소로 반환됩니다. 버클리 연구소에서는 4개의 코일이 사중극자라고 불리는 자석으로 조립됩니다. Fermilab에서는 사중극자가 "저온 조립체"로 결합되어 테스트를 거쳐 CERN으로 배송되며, CERN에서는 2010년 후반에 LHC가 장기간 중단되는 동안 설치될 것입니다.

"이것은 미국 전역의 사람들이 참여하는 매우 첨단 기술의 장비입니다."라고 ATAP의 박사후 연구원이자 케이블 품질 보증 업무를 맡은 Jean-Francois Croteau는 말했습니다. "아무도 혼자서는 만들 수 없는 것을 만들기 위해 이 모든 연구소가 참여한다는 것은 인상적입니다."

니오븀-주석으로 새로운 자석을 만들면 니오븀-티타늄으로 만든 이전 자석보다 더 큰 자기장이 가능해졌습니다. 자석은 지구 자기장보다 수십만 배 더 강한 약 12테슬라에서 작동합니다. 그들은 현재 CERN(초전도 케이블 권선이 70% 완성됨)에서 생산되고 있는 더 긴 버전의 4중극 자석과 함께 작동할 것입니다.

집속 자석은 함께 LHC의 입자 빔을 조밀한 다발로 압축하여 입자가 상호 작용할 가능성을 높입니다. 일단 업그레이드되면 고광도 LHC는 초당 50억~75억 개의 양성자 충돌(현재의 10억 개)을 생성할 수 있으며 과학자들은 연간 최소 1,500만 개의 힉스 보손을 생성할 것으로 예상합니다.