대형 강입자 충돌기: 물리학에 혁명을 일으킬 수 있는 개선 사항

LHC 중심 지하 100미터: 나는 '과학에 대한 장엄한 대성당''을 둘러싸고 있습니다.

알프스의 깊은 지하에서 과학자들은 간신히 흥분을 억제할 수 없습니다.

그들은 우주에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꿀 발견에 대해 속삭입니다.

샘 하퍼 박사는 "나는 입자 물리학자로서 오랫동안 다섯 번째 힘을 찾아다녔다"고 말했다. "올해가 아닐까."

지난 20년 동안 Sam은 물리학자들이 이미 알고 있는 중력, 전자기력 및 2개의 핵력을 포함 하는 자연의 다섯 번째 힘의 증거를 찾기 위해 노력해 왔습니다 .

그는 Large Hadron Collider의 대대적인 개조에 희망을 걸고 있습니다. 그것은 세계에서 가장 진보된 입자 가속기입니다. 원자를 부수고 그 안에 무엇이 있는지 알아내기 위해 원자를 함께 부수는 거대한 기계입니다.

3년 업그레이드를 통해 더욱 강화되었습니다. 그 장비는 더 민감하여 연구원들이 더 높은 정의로 원자 내부에서 입자의 충돌을 연구할 수 있습니다. 소프트웨어가 향상되어 초당 3천만 번 데이터를 가져올 수 있습니다. 빔이 더 좁아 충돌 횟수가 크게 증가합니다.

이 모든 것이 의미하는 바는 이제 LHC가 과학에 완전히 새로운 아원자 입자를 찾을 수 있는 최고의 기회가 있다는 것입니다. 희망은 그것이 100년 만에 가장 큰 물리학 혁명을 촉발할 발견을 하는 것입니다.

연구자들은 자연의 새로운 다섯 번째 힘을 발견할 수 있다고 믿는 것 외에도 암흑 물질이라고 불리는 우주의 대부분을 구성하는 보이지 않는 물질의 증거를 찾기를 희망합니다.

여기에 있는 연구원들에게 전달해야 하는 압력이 있습니다. 많은 사람들은 LHC가 지금쯤이면 물리학의 새로운 영역에 대한 증거를 발견할 것이라고 예상했습니다.

Atlas 검출기는 7,000톤의 금속, 실리콘, 전자 제품 및 배선으로 구성되어 있으며 복잡하고 정확하게 결합되어 있습니다.  이제 그 어느 때보다 강력합니다.

LHC는 제네바 바로 외곽의 스위스-프랑스 국경에 있는 Cern으로 알려진 유럽 원자력 연구 기구의 일부입니다. 가까이 다가가면 1950년대 사무실 건물과 기숙사 블록으로 이루어진 이 건물은 존경받는 물리학자들의 이름을 딴 잘 손질된 잔디밭과 구불구불한 도로가 있는 2.5제곱마일 부지에 펼쳐져 있습니다.

그러나 지하 100m, 그것은 과학의 대성당입니다. 저는 LHC의 핵심으로 들어갈 수 있었습니다. 우리 세대의 가장 큰 발견 중 하나인 힉스 입자를 만든 거대한 탐지기 중 하나인 힉스 입자는 우리가 알고 있는 다른 많은 입자가 질량을 갖지 않는 아원자 입자입니다. . 아틀라스 탐지기는 길이 46m, 높이 25m입니다. LHC에서 생성된 입자를 분석하는 LHC의 4대 장비 중 하나입니다.

7,000톤의 금속, 실리콘, 전자 제품 및 배선이 복잡하고 정확하게 결합되어 있습니다. 대단한 아름다움입니다. "폐하"는 그녀의 실험에 아틀라스 탐지기를 사용하는 과학자 중 한 명인 런던 퀸 메리 대학교의 Marcella Bona 박사가 사용한 단어입니다.

나는 Marcella가 LHC의 3년 폐쇄 기간 동안 감지기의 개선 사항에 대해 나에게 이야기하는 것처럼 그 전망에 경외감을 느꼈습니다.

"우리 실험이 데이터를 감지, 수집 및 분석하는 능력 면에서 2~3배 더 향상될 것입니다."라고 그녀는 말합니다. "전체 실험 체인이 업그레이드되었습니다."

Atlas의 보수 공사를 마무리하는 엔지니어들의 쿵쾅거리는 소리와 두드리는 소리 속에서 원자보다 몇 배나 작은 입자를 감지하는 데 그렇게 큰 것이 필요하다는 것은 상상하기 어렵습니다.

LHC에는 각각 다른 실험을 수행하는 4개의 이러한 감지기가 있습니다. 원자핵에서 발견되는 양성자로 알려진 입자가 17마일 둘레의 고리 주위에서 빛의 속도로 가속된 후 함께 충돌하는 것은 이 거대한 탐지기의 바로 중심에 있습니다.

충돌은 다른 방향으로 날아가는 더 작은 입자를 생성합니다. 그들의 경로와 에너지는 탐지기 시스템에 의해 추적되며 과학자들에게 그것이 어떤 종류의 입자인지 알려주는 것은 발자국에서 동물의 종과 특성을 결정하는 것과 같습니다.

충돌은 다른 방향으로 날아가는 입자를 만듭니다.  흔적은 과학자들에게 그것이 어떤 종류의 입자인지 알려줍니다. - 체른

충돌로 인해 발생하는 거의 모든 작은 입자는 이미 과학에 알려져 있습니다. 여기서 물리학자들이 추구하는 것은 충돌로 인해 발생할 수 있지만 극히 드물게 생성되는 것으로 여겨지는 새로운 입자의 증거입니다.

물리학자들은 우주에 대한 완전히 새로운 관점을 여는 열쇠가 바로 이 발견되지 않은 입자라고 생각합니다. 그들의 발견은 아인슈타인의 상대성 이론 이후 물리학 사고의 가장 큰 변화를 일으킬 것입니다.

엔지니어들은 더 짧은 시간에 더 많은 충돌을 발생시키기 위해 지난 3년 동안 LHC를 업그레이드했습니다. 개조된 기계는 거의 생성되지 않은 새로운 입자를 생성하고 찾을 가능성이 훨씬 더 큽니다. 그 작업의 대부분은 "Head of Beams"라는 칭호를 기뻐하는 Dr Rhodri Jones가 주도했습니다.

나는 거대한 항공기 격납고와 유사한 Cern의 자석 조립 구역에서 Rhodri를 만납니다. 여기에서 엔지니어들은 가속기 주변의 입자 빔을 구부리는 15미터 길이의 원통형 자석을 개조하고 있습니다. 오차가 전혀 없는 정밀한 작업입니다.

LHC의 자석 조립 구역.  빔을 더 좁게 만들고 충돌 횟수를 늘리도록 개선되었습니다.

Rhodri는 그의 팀이 빔을 더 좁게 만들어 더 많은 입자가 더 작은 영역으로 압착되도록 만들었다고 말했습니다. 이렇게 하면 입자가 서로 충돌할 가능성이 크게 높아집니다.

"우리는 매우 드문 프로세스를 보고 있으므로 충돌 수가 많을수록 실제로 진행되고 있는 일을 찾고 작은 이상을 볼 가능성이 커집니다."라고 그는 말합니다.

"빔의 개선은 LHC가 작동되기 시작한 이래로 우리가 수행한 모든 물리학에 대해 다음 3년 동안 우리가 했던 것과 같은 양의 충돌을 얻을 수 있다는 것을 의미합니다. 그 10년."

또 다른 큰 개선 사항은 충돌에서 데이터를 캡처하고 처리하는 것입니다. 리퍼브된 LHC에서 데이터는 초당 3천만 번 폭발하는 속도로 4개의 감지기 각각에서 수집됩니다. 물론 이것은 인간의 마음이 받아들이기에는 너무 많은 양이지만, 충돌 중 하나라도 과학자들이 찾고 있는 새로운 입자 중 하나의 존재에 대한 결정적인 증거를 포함할 수 있습니다.

LHC의 소프트웨어가 업그레이드되어 수집된 모든 데이터를 자동으로 검색하고 최신 AI 기술을 사용하여 과학자가 분석할 수 있는 잠재적 관심이 있을 수 있는 판독값을 식별하고 저장합니다.

LHC의 장비는 더 민감하고 충돌에 대한 고화질 시각화를 제공하므로 새로운 입자를 더 잘 감지할 수 있습니다.

현재의 아원자 물리학 이론을 표준 모델이라고 합니다. 그것은 상상할 수 없는 이름을 가지고 있지만, 그 이론은 어떻게 아원자 입자가 모여 우리 주변의 세계를 구성하는 원자를 생성하는지 설명하는 데 탁월했습니다. 표준 모델은 또한 입자가 원자 구성 요소를 함께 유지하는 핵력 및 전자기력과 같은 자연의 힘을 통해 상호 작용하는 방식을 설명합니다.

그러나 표준 모델은 중력이 어떻게 작동하는지 설명할 수 없으며 물리학자들이 암흑 물질과 암흑 에너지라고 부르는 우주의 보이지 않는 부분이 어떻게 행동하는지 설명할 수 없습니다. 과학자들은 이러한 보이지 않는 입자와 힘이 우주에서 은하의 움직임으로 인해 존재한다는 것을 알고 있으며, 그것들이 함께 우주의 95%를 차지합니다. 그러나 아무도 그들의 존재를 증명하고 그들이 무엇인지 결정할 수 없었습니다.

LHC의 소프트웨어는 초당 3천만 회 속도로 데이터를 탐색할 수 있도록 업그레이드되었습니다.

LHC는 우주의 광대한 부분이 어떻게 작동하는지 설명할 수 있는 이러한 입자를 감지하기 위해 만들어졌습니다. Marcella Bona 박사는 이제 업그레이드를 통해 가능하게 될 것이라는 진정한 희망이 있다고 말했습니다.

"정말 신나는 시간입니다."라고 그녀는 환하게 웃습니다. "우리는 지난 3년 동안 기계를 업데이트하는 일을 했습니다. 이제 준비가 되었습니다."

Marcella는 내가 그녀를 만난 순간부터 열정으로 타올랐습니다. 그러나 암흑 물질 입자의 발견이 물리학의 가장 큰 발견 중 하나가 될 것인지 물었을 때 그녀의 열정은 한 차원 높아졌습니다.

그녀는 눈을 크게 뜨고 웃으면서 "예스입니다."라고 말하며 "그렇습니다. 정말 놀랍습니다."라고 말하면서 잠시 동안 앞으로 몇 달 안에 일어날 일의 실제 전망을 마음껏 즐깁니다.

이 컴퓨터 시뮬레이션은 우주 전체에 퍼져 있는 암흑 물질을 보여줍니다.  LHC 연구원들은 그것을 실제로 찾기를 희망합니다. - 이글 프로젝트/더럼 대학교

자연의 '제5의 힘'을 찾기 위해 지난 20년을 보낸 과학자 샘 하퍼(Sam Harper)도 그에 못지 않게 흥분하고 있습니다. 그는 Cern 단지의 다른 쪽 끝에 위치한 CMS라고 하는 LHC의 또 다른 4개의 탐지기에서 일하고 있습니다.

개조를 위해 폐쇄되기 전의 LHC와 전 세계의 여러 입자 가속기의 결과는 그 다섯 번째 힘에 대한 감칠맛 나는 힌트를 발견했습니다. 그러나 LHC의 추가 능력으로 Sam은 자신의 과학적 탐구가 곧 끝날 수 있다고 말합니다.

그리고 마르셀라처럼 확고한 증거가 있을 때까지 과학계에서 공식적으로 말할 수 없는 것을 큰 소리로 말할 때 그의 목소리에서 흥분이 쌓입니다.

"이것은 이 분야를 뒤집을 것입니다. 그것은 LHC의 가장 큰 발견이 될 것이며, 입자 물리학의 가장 큰 발견이 될 것입니다. 이후로..."

샘은 단어를 찾기 위해 고군분투하며 잠시 멈췄습니다.

"힉스보다 클 것"

Cern은 올해 말 힉스 입자 발견 10주년을 기념하게 됩니다. 그러나 축제는 연간 비용이 11억 파운드인 공적 자금 36억 파운드의 LHC가 그 이후로 큰 발견을 하지 못했다는 사실에 주목합니다. 많은 사람들이 가장 강력한 입자 가속기가 암흑 에너지, 다섯 번째 힘 또는 다른 패러다임 전환 입자를 지금쯤 발견하기를 바랐고 일부는 예상했습니다.

Cern이 곧 더 큰 강입자 충돌기에 대한 제안을 내놓을 것이기 때문에 연구원들이 앞으로 몇 년 동안 얻을 수 있는 결과에 많은 영향이 있습니다. FCC(Future Circular Collider)라고 하는 가장 야심찬 계획은 60마일 둘레의 고리를 가지고 제네바 호수 아래로 들어갈 것입니다.

FCC는 약 200억 파운드의 비용이 들 수 있습니다. 현재 기계는 앞으로 적어도 10년은 더 가야 하고, 물리학을 영원히 바꿀 입자를 발견하기 위해 훨씬 더 많은 기회를 제공할 몇 가지 추가 업그레이드가 있습니다. 그러나 Cern의 과학 지도자들은 곧 입자 물리학 실험의 다음 단계에 대한 사례를 발표할 것입니다. 최신 업그레이드가 향후 2~3년 동안 새로운 입자의 흔적조차 찾지 못한다면 회원국 정부가 자금 지원을 크게 늘리도록 설득하는 것이 더 어려울 것입니다.

Cern이 제안한 미래 원형 충돌기(Future Circular Collider)는 LHC보다 몇 배 더 크고 훨씬 더 비쌀 것입니다. - 체른

Sam Harper 박사는 LHC가 다음 실험 세트를 시작할 때 "조금 두려운" 느낌을 받았다고 고백합니다.

"우리는 모든 것을 하나로 모으기 위해 필사적으로 노력하고 있으며 가능한 새로운 물리학을 놓치지 않기 위해 정말 열심히 노력하고 있습니다. 세상에서 가장 나쁜 것은 새로운 물리학이 거기에 있고 우리가 찾지 못하는 것이기 때문입니다. 그것."

그러나 Sam의 공포를 압도하는 것은 앞으로 몇 년 동안 어떤 일이 벌어질지에 대한 강렬한 흥분입니다.

"모든 입자 물리학자들을 움직이는 것은 우리가 미지의 것을 발견하기를 원한다는 것입니다. 이것이 제5의 힘과 암흑 물질과 같은 것들이 매우 흥미로운 이유입니다. 왜냐하면 그것이 무엇일 수 있는지 또는 그것이 존재하는지 모르고 우리가 정말로 찾고자 하는 것이기 때문입니다. 이거 아웃."

표준 모델의 첫 번째 균열은 이달 초 미국 LHC에 해당하는 Fermilab의 연구원에 의해 발견되었습니다 . 앞으로 몇 달, 몇 년 동안 LHC의 연구원들은 결과를 확인하고 현재 이론이 무너질 때까지 우주가 작동하는 방식에 대한 새롭고 통합되고 완전한 이론을 제시할 때까지 더 많은 균열을 찾을 것입니다.