CERN, LHC 가동 중단하고 2030년 ‘하이루미 LHC’ 업그레이드 들어감

CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)가 마지막 물리 실험 운전을 마치고 장기 셧다운 3단계(LS3)에 들어감.

• 이번 셧다운은 단순 정비가 아니라, 2030년부터 가동할 하이루미 LHC(High-Luminosity LHC)로 넘어가기 위한 대규모 업그레이드임.
• CERN은 유지보수, 보강, 장비 교체, 설치 작업을 2030년까지 진행할 예정임.

LHC는 2008년 9월 첫 빔을 순환시킨 뒤, 2009년 첫 양성자 충돌을 만들면서 본격적인 발견 장비가 됨.

• 세 번의 운영 기간(Run 1~3) 동안 전례 없는 양의 데이터를 실험 장치들에 공급함.
• 대표 성과는 2012년 7월 4일 ATLAS와 CMS 협업이 발표한 힉스 보손 발견임.
• 그 밖에도 85개 이상의 하드론 발견, 새 입자 탐색의 제외 한계 설정, 물질과 반물질 불균형 연구, 쿼크-글루온 플라스마 연구 등이 이어짐.

하이루미 LHC의 목표는 ‘더 세게’라기보다 ‘훨씬 더 많은 충돌 데이터를 정밀하게’에 가까움.

• 2030년 운영 시작 예정이고, 충돌기의 광도(luminosity)를 원래 설계 대비 최대 10배까지 높일 계획임.
• 더 큰 데이터셋을 모으면 힉스 보손을 더 정밀하게 연구하고, 표준모형(Standard Model) 너머의 현상을 찾을 가능성도 커짐.

LS3는 LHC 건설 이후 CERN 가속기 복합체에서 가장 큰 개입 작업임.

• LHC만 놓고 봐도 1.2km 분량의 자석과 부품이 제거되고 새 장비로 교체됨.
• 전체 복합체에서는 수십 개 프로젝트가 동시에 진행되고, CERN과 전 세계 파트너 기관의 엔지니어, 물리학자, 기술자, 지원 인력이 수천 명 단위로 투입됨.
• SPS North Area 보강, CNGS 타깃 구역 해체, ECN3를 고강도 fixed-target 시설로 전환, ISOLDE 시설 개보수, 안전 시스템과 전력망 정비도 포함됨.

검출기 쪽 업그레이드도 거의 새로 태어나는 수준임.

• ATLAS와 CMS는 하이루미 LHC의 성능을 활용하기 위해 광범위한 업그레이드를 거치며, 사실상 갱신된 검출기가 됨.
• 초당 50억 개가 넘는 상호작용 중 분석할 가치가 있는 충돌을 골라야 해서, 두 실험 모두 트리거 시스템을 완전히 교체함.
• 새 검출 기술에는 수십억 개 readout channel을 가진 all-silicon tracking system, 수십 피코초 해상도의 고정밀 timing detector, 메가헤르츠 속도로 동작 가능한 새 calorimeter system이 포함됨.

빔은 멈추지만 CERN의 연구가 멈추는 건 아님.

• 셧다운 기간에도 수천 명의 연구자가 LHC 시대에 쌓인 방대한 데이터셋을 계속 분석함.
• 동시에 2028년부터 단계적으로 재가동될 가속기 복합체와 2030년 하이루미 LHC 시대를 준비함.
• 개발자 관점에서 보면, 이건 물리학만의 이야기가 아니라 초대형 실시간 데이터 선별과 분산 분석 인프라의 끝판왕 사례이기도 함.