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LHC가속기와 힉스입자의 발견

전문가 제언: ○ 입자물리학의 표준모형(Standard model)에서는 만물을 구성하는 기본입자로 쿼크(quark) 6개, 경입자(lepton) 6개와 이들 사이의 상호작용을 매개하는 4개의 게이지(gauge) 입자, 그리고 이들 입자와의 상호작용 정도에 따라 질량을 부여하는 힉스입자(Higgs particle) 등 총 17개의 입자에 의해 자연계의 현상을 설명한다. 이 중 힉스입자는 가장 마지막으로 2012년에 발견된 입자로서 힉스입자의 발견은 현대물리학의 골격이 되는 표준모형의 완성이라는 점에서 큰 의의를 갖는다.

○ 힉스입자의 실험적 확인은 유럽원자핵연구기구(CERN)의 대형가속기(LHC : Large Hadron Collider)에서 이루어졌다. LHC장치의 핵심부는 양자빔을 제어하는 초전도자석과 이의 냉각시스템이다. LHC에는 총 6,628대의 초전도자석이 있으며 가장 중요한 요소인 편향자석에 이용되는 초전도쌍극자석도 1,232대에 달한다. 재료기술 측면에서 LHC에는 초전도자석 외에 고성능 비자성강의 이용이 불가결의 요소가 되고 있다. 최첨단기술에 기여하는 철강재료라는 점에서 주목된다.

○ LHC의 초전도쌍극자석에는 균일하고 안정한 자장의 생성을 위해 비자성강 칼러(collar)재와 요크(yoke)재가 이용되는데 통상의 비자성강과는 달리 비투자율이 4.2K에서 1.0에 근접해야 한다. 또 칼러재는 초전도코일을 이루는 동과 유사한 열수축률이, 요크재는 철과 유사한 열수축률이 요구된다. LHC에는 이러한 특성을 만족하는 11,000톤의 칼러용 비자성 스테인리스강과 1,700톤의 요크용 고Mn(28%) 비자성강이 이용되고 있다. 입자가속기에 이처럼 대량의 철강재가 기능재료로서 이용된다는 점도 특기할 만하다.

○ 국내에는 포항공대에 방사광가속기가 있으나 X선 빔라인에서 주로 물질의 구조, 화학적 결합, 원자배열 등에 관한 연구에 이용되고 있으나 입자물리학 분야의 연구는 미국, 일본, 유럽 등 외국의 가속기연구소에 참여하여 수행되는 실정이다. 현재 기초과학연구원에서 2021년 완공을 목표로 중이온가속기의 건설이 추진되고 있으므로 완공 후의 가동에 필요한 빔 운용기술, 진공기술, 초전도자석기술, 그리드 컴퓨팅기술 등에 관한 대비가 필요하다.

저자: Takahiko Kondo
자료유형: 학술정보