LHC (Large Hadron Collider)

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1 LHC (Large Hadron Collider)
Chapter 1 안산

2 CERN의 탄생 CERN(Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire) CERN의 탄생
유럽 20개 회원국에 의해 운영 (9개의 참관국, 36개의 프로그램 참여국) 상시적으로 일하고 있는 2,500명의 과학자들과 기술 스태프들 세계 85 개국 580여 대학과 연구소에서 약 8,000명의 과학자들이 연구를 위해 CERN을 방문 CERN의 탄생 1949년 12월 드 브로이 유럽 공동의 초국가적인 기초 물리학 연구소 설립 공식 제안 1951년 12월 파리에서 열린 유네스코 정부 간 회의에서 연구소를 설립하기 위한 평의회 설립에 관한 결의안 채택 1952년 2월 11개국이 ‘핵 연구를 위한 유럽 평의회’ 설립 동의안에 서명. 평의회와 CERN이라는 이름 탄생 1952년 10월 스위스 제네바가 연구소 부지로 선정 1953년 7월 CERN 협의회 설립, 12개 창립 회원국 승인. ☞ 현재는 20 개국 1954년 5월 17일 연구소 공사 시작 1954년 9월 29일 European Organization for Nuclear Research라는 이름으로 공식 출범, 평의회 해산 드 브로이 1892 ~ 1987 (Louis Victor de Broglie) CERN의 과제 ‘연구소는 순수하게 과학적이고 기초적인 성격의 핵 연구에 있어서 유럽 각국 간의 국제 협력을 제공한다. 연구소는 군사적인 필요에 의한 일에는 관계하지 않으며 연구소의 실험적, 이론적 연구의 결과는 출판하거나 일반에게 제공한다.’ - 1954년 CERN 설립을 위한 회의 “여러 참가국 개개의 상황으로는 감당하기 어려운 과학 연구를 수행할 수 있는 실험실 혹은 연구소가 생기면, 국가적인 시설 이상의 자원에 힘입어 규모와 비용 면에서 개별 국가의 범위를 넘어서는 과업을 수행할 수 있다”

3 CERN과 CERN 가속기의 역사 CERN 최초의 가속기 SC와 PS SC (Synchro-Cyclotron)
사이클로트론과 싱크로트론의 중간 형태 빔을 600 MeV까지 가속 CERN의 초기 입자 물리학 및 핵 물리학 실험에 이용 1990년 까지 33년간 가동 PS (Proton Synchrotron) 1964년 건설 이후 현재까지 매우 다양한 용도로 사용 빔 에너지 27 GeV 건설 당시 세계에서 가장 높은 출력을 내는 가속기 AG(Alternating Gradient)방법이 적용된 CERN의 첫 번째 가속기 현재까지 가동 (LHC에 빔을 공급하는 예비 가속기)

4 CERN 과 CERN 가속기의 역사 p p p p CERN 최초의 입자 충돌기 ISR
Fixed-target experiment Collider p 충돌 에너지 42 GeV p p 충돌 에너지 2,000 GeV p 1,000 GeV 1,000 GeV 1,000 GeV CERN 최초의 입자 충돌기 ISR ISR(Intersecting Storage Ring) 1971년 첫 가동, 각각 30 GeV의 에너지로 가속된 양성자 빔을 충돌시켜 60 GeV의 충돌에너지를 얻었다 1981년 세계 최초로 양성자 - 반양성자 충돌 성공 양성자–양성자 충돌을 통해 양성자 내부에 구조가 있다는 것을 확인 많은 업적을 남기고 1984년 가동 중단

5 CERN 과 CERN 가속기의 역사 W 보손과 Z 보손을 발견한 SPS SPS(Super Proton Synchroton)
1976년 첫 가동 링 둘레 7 km, 1317 개의 상온 전자석 양성자를 400 GeV까지 가속 1983년 약한 상호 작용을 매개하는 W 보손과 Z 보손 발견 양성자 내부 구조 검증, 입자와 반입자 간의 대칭성 연구 현재는 LHC의 예비 가속기 카를로 루비아(Carlo Rubbia) 1934 ~ . 이탈리아의 물리학자 , 1984년 노벨상 수상 1976년 SPS를 양성자-반양성자 충돌기로 개조해 W와 Z 보손을 찾자고 제안 SPS를 개조한 SPṔS와 주검출기인 UA1과 에너지 검출기 UA2로 W 보손과 Z 보손 발견

6 CERN 과 CERN 가속기의 역사 LEP LEP(Large Electron Positron collider)
1989년 첫 가동 전자 및 양전자 싱크로트론으로서 높은 에너지의 전자-양전자 빔을 충돌시켜 W나 Z 보손을 대량으로 만들어 내 W와 Z 보손의 자세한 성질을 탐구하고 전자기-약 작용을 양자 역학적 효과에 이르기까지 검증하는 것을 목적으로 건설 둘레 26.7 km, 평균 100 m 지하에 설치 대략 팔각형 구조, 각 부분은 31개의 셀로 이루어짐 LEP의 전자석은 3,368개의 쌍극자, 816개의 4극자, 504개의 6극자, 70개의 기타 미세 조정용 전자석으로 이루어져있다 전자기- 약 작용 이론의 검증 및 확립 표준 모형이 정확하게 맞는 것을 확인 가벼운 중성미자의 종류가 세가지 밖에 없다는 것을 발견 2000년까지 LEP에서 만들어진 Z 보손은 1,700만 개 가동 기간 중 수차례 개량 최종적으로 얻은 에너지는 209 GeV LEP CERN L3 실험 DELPHI 실험 OPAL 실험 ALEPH 실험

7 LHC? LHC (Large Hadron Collider) – 인류 최대의 실험장치
• 소재 : 스위스 제네바 유럽물리 연구소(CERN). 스위스와 프랑스에 걸쳐서 지하 100 m에 묻혀있음 CMS LHC ALICE ATLAS LHCb 레만호 1지점 2지점 8지점 5지점 • 공사비 : 총 10 조원 • 크기 : 지름 8 km, 총길이 27 km • 예산 : 연간 운영비 총 2650 억원 • 인류가 지구상에서 TeV 에너지의 세계를 직접 탐구하고 검증하는 우일한 수단이다 • 표준모형의 검증을 넘어 그 배후에 있는 심오한 물리학 원리를 발견하는데 목적

8 CERN accelerator complex system
ALICE LHCb CMS ATLAS LHC LINAC : LINear ACcelerator PSB : Proton Synchrotron Booster PS : Proton Synchrotron SPS : Super Proton Synchrotron LHC : Large Hadron Collider SPS 양성자 생성 50 MeV 1.4 GeV 26 GeV PSB LINAC2 PS 450 GeV 7 TeV 양성자 생성

9 YOUR TOPIC GOES HERE • 빔 파이프를 중심에 두고, 그 주변에 빔을 가속하고 제어하기 위한 장치가 설치
정렬 기준 주사극자 전자석 부스바 열교환 파이프 절연체 초전도 코일 빔파이프 진공관 빔스크린 보조 부스바 단열재 전자석 연결 철심 지지대 쌍극자 전자석 부스바 오스테나이트 강철 이음고리 • 빔 파이프를 중심에 두고, 그 주변에 빔을 가속하고 제어하기 위한 장치가 설치 • Extra High Vacuum ( ~ Torr)

10 Proton beam 양성자 빔 하나의 뭉치 안 양성자 수는 약 1000억개(1.15 X 1011 개)
뭉치 하나의 크기 – 길이 수 cm, 폭 약 1 mm (충돌 직전에는 압축되어 16 ㎛ 정도가 된다) 하나의 빔 안에는 2808개의 양성자 뭉치 뭉치와 뭉치의 시간간격 25 ns LHC의 최대 에너지인 7 TeV 까지 가속되면 빔의 속도는 빛의 속도의 % (27 km 링을 초당 11,245 회 회전) 뭉치와 뭉치가 충돌할 때 실제로 충돌하는 양성자의 개수는 20개 정도 (beam crossing) but 링 전체를 초당 1 만 회 이상 회전하는 빔 안에 뭉치가 3,000 여 개 있으므로 양성자-양성자 충돌 회수는 1초에 약 6억 회(20 x 10,000 x 3,000) 빔의 수명(약 10시간)을 고려하면 빔은 약 100억 km를 달린다 25 ns 5 ~ 6 cm 1 mm

11 Rock band LHC • LHC (Les Horribles Cernettes) – 무서운 CERN의 소녀들
☞ 데뷔 - CERN의 축제인 Hadronic Festival에서 데뷔곡 충돌기(collider)로 데뷔 ☞ 히트곡 – 충돌기(collider), 내 애인은 노벨상 수상자(My Sweetheart is Nobel Prize), 강한 상호 작용(strong Interation), 아빠의 실험실(Daddy’s Lab) → 최초로 홈페이지를 만든 밴드

12 Thank you!! To be continued…