LHC는 어떻게 작동하는가?- 1. 자기장에 대해서

1.  현재 세계에서 가장 강력한 입자가속기는 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)다. 질량중심 에너지가 8TeV에 달하는 충돌실험을 통해 힉스입자를 발견했으며, 2015년부터는 13TeV의 에너지로 Run을 새롭게 시작한다. 몇번의 시리즈를 통해 LHC라는 거대한 가속기가 어떻게 동작하는지 원리를 살펴보려 한다.   
2.  많이들 사진을 통해 보았겠지만 LHC는 그 길이가 약 27km나 되는 원형입자가속기다. 주로 하는 실험은 양성자-양성자 충돌실험이며, 1년에 몇 주 정도는 납이온 충돌실험을 진행한다. 전자의 실험을 통해서는 현재 우리가 알고있는 표준모형에 대한 재확인과 새로운 입자 탐사하고, 후자에서는 빅뱅이후 약 10^-6초 이후의 상태로 추정되는 쿼크-글루온 플라즈마 상태를 만들어 연구한다.
    페르미연구소에서 사용했던 Tevatron의 경우 양성자-반양성자 충돌실험을 통해  top 쿼크 발견하였다. LHC에서는 많은 데이터를 얻기 위해 high luminosity를 요구하게 되는데 이 목적에는 양성자-반양성자 실험 보다는 양성자-양성자 충돌실험이 더 유리하다.
     
3.  이번 포스팅의 주제는 LHC에서 사용되는 자기장이다. 필요한 자기장은 크게 두가지로 나눌 수 있다.
1. 원형 입자가속기이기 때문에 기본적으로 입자빔으로 하여금 원운동을 할 수 있게 하는 구심력을 주는 자기장이 필요하다. 
2. 빔이 양전하를 띄는 입자들의 덩어리이기 때문에 전자기력에 의해 intensity가 떨어지게 된다. 또한 중력의 영향에 의해 빔들이 조금씩 아래로 내려오게 된다. 계속해서 놔두면 수십 마이크로초 이내에 빔 파이프를 벗어나게 된다. 따라서 빔을 빔파이프 중앙으로 집속시켜 줄 수 있는 자기장도 필요하다.
      
4.  첫번째 용도의 자기장을 살펴보도록 하자. 몇 개의 사진을 보면 이해하기 쉬워진다.
   
     위의 사진은 LHC의 ring을 이루는 파이프다. 이러한 것이 약 27km를 원모양으로 이어져있다. 그 단면을 살펴보면 다음과 같다.
   
    가운데에 돼지코처럼 두개의 구멍이 뚫려있다. 이것이 빔파이프로 하나는 시계방향으로 운동하는 양성자빔, 또 다른 하나는 시계반대방향으로 운동하는 양성자빔을 위한 파이프다. 각 부분의 명칭을 표시해놓은 것들 중 위에서 5번째에 Superconducting coils이 있다. 이것이 입자빔으로 하여금 원운동을 할 수 있게 해주는 자기장을 생성한다. 이 코일을 자세히 살펴보도록 하자.
   
    전류가 위의 그림과 같이 흐르게 되면 빔파이프(가운데의 노란 원)에서의 자기장은 아래방향을 향하게 된다. 이 코일은 위와 같이 전류를 흘리게 위해
   
    이 그림에서 볼 수 있는 것 생겼다. 빔 파이프를 따라 스프링처럼 말려있는 모양이 아니라 회를 뜨는 느낌으로 빔파이프에 붙어있다. 전류가 흐르는 전선은 위처럼 칼국수 모양의 두꺼운 선이 아니라, 매우 많은 자잘한 superconduntor 전선에 전류가 흐르고있다. 이렇게 전류를 흘려줄 경우 자기장이 어떤 모양으로 만들어 지는지 시뮬레이션한 결과가 있다.
   
    빔 파이프내에 매우 균일한 자기장이 만들어지는 것을 알 수 있다. 왼쪽의 빔 파이프에서는 위쪽 방향의 자기장이, 오른쪽의 빔 파이프에서는 아래쪽 방향의 자기장이 만들어진다.
    빔파이프를 따라 양성자가 운동하면 로렌츠힘을 받아 원운동을 할 수 있게 된다. 이 superconducting coil을 따라 흐르는 전류는 입자빔의 에너지에 따라 변하면서 LHC의 ring을 따라서 운동할 수 있도록 해준다. 빔 파이프에서의 자기장 세기는 초기의 0.1 오더의 T에서 8T 이상까지 올라가게 된다.
     
5.  두번째 용도의 자기장에 대해 살펴보자. 이 용도에는 여러개의 자석을 사용한다. 그 갯수에 따라 quadrupole, sextuple, octople .....이 있다.
   
   
    위의 그림처럼 양성자빔이 오른쪽에서 두개의 연속된 quadrupole magnet을 향해 입사하게 되면, 첫번째 magnet에서는 빔이 좌우로 집속되고, 두번째 magnet에서는 빔이 상하로 집속된다. 이미 첫번째 magnet에 의해 빔이 좌우로 집속되었기 때문에, 두번째 magnet에서 빔이 다시 좌우로 벌어질 염려는 하지 않아도 된다. 이러한 원리로 다양한 원인에 의해 떨어진 빔의 intensity를 다시 높여줄 수 있다.
    LHC에서는 이러한 quadrupole magnet과 다양한 multipole magnet들이 사용되는데 다음과 같은 배치를 가진다.
   
         
6.  LHC에서는 전체 약 1300개 가량의 dipole magnet을 사용하고 있으며, 약 400개 가량의 quadrupole magnet을 사용하여 총 약 1700개 가량의 superconducting magnet을 사용하고 있다.