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대형 강입자 충돌기

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목차

1. 개요

대형 강입자 충돌기(LHC)는 2008년 가동을 시작한 세계 최대 규모의 입자 가속기이다. 스위스와 프랑스 국경 지하 100m 깊이에 건설되었으며, 양성자 빔을 충돌시켜 소립자 연구를 수행한다. LHC는 힉스 보손 발견, 표준 모형 정밀 검증, 새로운 입자 및 현상 탐색 등 다양한 연구를 수행해왔다. 2012년 힉스 보손을 발견했으며, 2022년에는 새로운 펜타쿼크와 테트라쿼크 쌍을 발견하는 등 괄목할 만한 성과를 거두었다. LHC는 현재 고광도 LHC(HL-LHC) 업그레이드를 진행 중이며, 미래 원형 충돌기(FCC) 건설을 계획하고 있다.

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대형 강입자 충돌기
지도 정보
기본 정보
이름대형 강입자 충돌기 (LHC)
종류싱크로트론
빔양성자, 중이온
표적충돌기
에너지빔당 6.8 TeV (충돌 에너지 13.6 TeV)
광도1e34 cm⁻²⋅s⁻¹
둘레26,659m (17마일)
위치스위스 제네바 근처, 프랑스와 스위스 국경을 가로지름
기관유럽 입자 물리 연구소 (CERN)
가동 시작2010년 – 현재
이전 시설대형 전자-양전자 충돌기
CERN 복합 시설
CERN 가속기 복합 시설
LHC양성자 및 중이온 가속
LEIR이온 가속
SPS양성자 및 이온 가속
PSB양성자 가속
PS양성자 또는 이온 가속
Linac 3중이온을 LEIR에 주입
Linac4이온 가속
AD반양성자 감속
ELENA반양성자 감속
ISOLDE방사성 이온 빔 생성
MEDICIS의료용 동위원소 생성
역사
최초 빔2008년 9월 10일
고에너지 성공2010년 3월 30일
에너지 기록 경신 (시험 충돌)2015년 5월 21일
데이터 획득 재개2015년 6월 3일
빔 재가동2015년 4월
2012년 빔 에너지빔당 4 TeV
목표 및 연구
주요 목표힉스 입자 발견 및 연구
연구 주제초대칭 이론 연구
암흑 물질 연구
미지의 힘 연구
쿼크-글루온 플라스마 연구
반물질 연구
추가 정보
건설 비용약 90억 달러 (미화)
총 길이약 27km
지하 깊이약 175m
관련 문서강입자 충돌기
참고 자료유럽 입자 물리 연구소 (CERN)의 대형 강입자 충돌기 정보
국립 지오그래픽 매거진의 "신의 입자" 기사
데일리 텔레그래프의 "대형 강입자 충돌기: 세계를 바꿀 13가지 방법" 기사
BBC 뉴스 기사: CERN LHC 고에너지 성공
CERN 보도 자료: LHC, 2012년 빔당 4 TeV로 가동
CERN 웹사이트: LHC에 양성자 빔 재가동
BBC 뉴스 기사: 대형 강입자 충돌기 '데이터 탭' 가동
BBC 뉴스 기사: LHC, 시험 충돌로 에너지 기록 경신
CERN 2022 디지털 미디어 키트
CERN의 LHC 관련 사실 및 수치
CERN의 LHC 납 충돌 시간
CERN 웹사이트: 힉스 입자 정보
CERN 웹사이트: 초힘 정보
나우루 공식 홈페이지
CERN 보도 자료: LHC 최초 빔, 과학 가속

2. 역사

대형 강입자 충돌기(LHC)는 2000년에 실험을 종료한 대형 전자-양전자 충돌기(LEP)의 지하 터널에 양성자-양성자 충돌을 위한 가속기를 새로 설치하여 건설되었다. LEP 터널은 전체 둘레가 약 26.7km이며[198], 일본에서는 전체 둘레 34.5km의 야마노테 선에 비유되기도 한다.[199][200][201] LEP에 사용되었던 가속기 등은 전자에 비해 양성자의 질량이 1836배이기 때문에 강력한 자기장이 필요하여 모두 초전도형으로 교체되었다.

LHC에서 사용하는 양성자 빔의 안정성을 시뮬레이션하기 위한 목적으로 2004년부터 BOINC을 기반으로 한 LHC@home 프로젝트가 시작되었다.

LHC는 양성자-양성자 충돌 실험을 하며, 높은 광도와 연속 충돌이 필요하여 양성자-반양성자형 대신 양성자-양성자형 실험으로 하였다. 장래에는 양성자-반양성자형 실험도 이루어질 가능성이 있지만, 미정이다.[204]

LHC는 쥐라 산맥 아래 터널 길이를 줄이고, 지상 부지 매입 필요성을 없애며, 지각이 제공하는 배경 방사선 차폐 효과를 이용하기 위해 지하 깊이에 건설되었다.[29] 이 터널은 1983년부터 1988년 사이에 건설된 너비 3.8m의 콘크리트 라이닝 터널로, 이전에는 대형 전자-양전자 충돌기를 수용하는 데 사용되었다.[30] 터널은 스위스와 프랑스 국경을 네 곳에서 횡단하며, 대부분은 프랑스에 위치한다. 지상 건물에는 압축기, 환기 장비, 제어 전자 장비 및 냉각 설비와 같은 보조 장비가 있다.

충돌기 터널에는 서로 인접한 두 개의 평행한 빔라인이 있으며, 각각 반대 방향으로 링 주위를 이동하는 빔을 포함한다. 빔은 링 주위의 네 지점에서 교차하며, 이곳에서 입자 충돌이 일어난다. 약 1,232개의 이중극 자석이 빔을 원형 경로에 유지하며,[31] 추가로 392개의 사중극 자석이 빔을 집속하는 데 사용된다. 총 약 10,000개의 초전도 자석이 설치되어 있으며, 이중극 자석의 무게는 27톤이 넘는다.[32] 자석은 니오브-티타늄으로 만들어졌고, 1,900,000,000의 작동 온도로 유지하기 위해 약 96톤의 초유체 헬륨-4가 필요하다. 이로써 LHC는 액체 헬륨 온도에서 세계 최대의 극저온 시설이 되었다.[33]

LHC 건설은 1995년에 승인되었으나, 예상치 못한 기술적 문제와 예산 초과로 인해 완공이 지연되었다. 2001년 주요 검토에서 예산 초과가 발생하여 완료 예정일이 2007년 4월로 연기되었다.[65] 뮤온 압축 솔레노이드 동굴 건설 중 발생한 기술적 어려움[66]과 설계 미흡으로 인한 초기 시험(2007년) 실패, 자석 급냉 및 액체 헬륨 누출(2008년 시험 가동)로 인한 손상으로 추가 비용과 지연이 발생했다.[67]

건설 과정에서 여러 사고도 발생했다.


  • 2005년 10월 25일: 기술자 호세 페레이라 라제스가 운반 중이던 전력기기에 깔려 사망했다.[69]
  • 2007년 3월 27일: 페르미 연구소와 고에너지가속기연구기구가 설계 및 제공한 극저온 자석 지지대가 LHC의 내부 삼중극(집속 사중극) 자석 조립체 중 하나에 대한 초기 압력 테스트 중에 파손되었다.[70]
  • 2008년 9월 19일: 전기 연결 결함으로 인해 자석 급냉 현상이 발생하여 6톤의 액체 헬륨이 터널로 유출되었다. 이 사고로 53개의 초전도 자석과 그 부착물이 손상되었고, 진공관이 오염되었다.[54][55][82] 이 사고로 인해 수리 및 안전 점검에 약 14개월이 소요되었다.[73][85][74]
  • 2009년 7월: 두 개의 진공 누출이 발견되어 운영 시작이 2009년 11월 중순으로 다시 연기되었다.[91]


최초의 입자빔은 2008년 9월 10일에 가속기 내부를 순환하는 데 성공했다.[80] CERN은 3km씩 단계적으로 양성자를 터널 주변으로 성공적으로 발사했으며, 시계 방향과 반시계 방향 모두 성공적으로 가속기 주변을 돌았다.[53]

CERN은 2008년 9월 10일, LHC의 첫 번째 빔 순환에 성공했지만,[53] 초전도 자석 결함으로 인한 사고로[54][55][56][57] 2008년 9월 19일부터 2009년 11월 20일까지 가동이 중단되었다. 2009년 11월 20일, LHC는 사고 이후 처음으로 저에너지 빔을 터널 내부에 순환시키기 시작했고,[56] 11월 30일에는 빔당 1.18 TeV를 달성하여 테바트론을 제치고 세계 최고 에너지 입자 가속기가 되었다.[93]

2010년 3월 30일, LHC는 7 TeV의 에너지로 양성자 빔을 충돌시켜 고에너지 충돌의 새로운 기록을 세웠고, 본격적인 물리 실험을 시작했다.[94] 2013년 2월 13일, LHC는 성능 향상을 위해 2년간의 장기 가동 중단(LS1)에 들어갔다.[99] 2015년 4월 5일, LHC는 13 TeV의 충돌 에너지로 운전을 재개하여[102][103] 새로운 물리 현상 탐색을 이어갔다.[78]

2018년 12월 10일, LHC는 두 번째 장기 가동 중단(LS2)에 들어갔다.[130] LS2는 2022년 4월에 종료되었고, 2022년 4월 22일 LHC는 13.6 TeV의 충돌 에너지로 세 번째 운전(Run 3)을 시작했다.[109][110]

LHC의 주요 사건들은 다음과 같다.

날짜이벤트
2008년 9월 10일CERN에서 처음으로 양성자를 터널 전체 회로에 단계적으로 통과시키는 데 성공했다.
2008년 9월 19일3구역과 4구역에서 약 100개의 굽힘 자석에서 자기 급냉이 발생하여 약 6톤의 액체 헬륨이 손실되었다.
2008년 9월 30일사고로 인해 계획되었던 첫 번째 "적당한" 고에너지 충돌이 연기되었다.[32]
2008년 10월 16일CERN에서 사고에 대한 예비 분석 결과를 발표했다.
2008년 10월 21일공식 개관.
2008년 12월 5일CERN에서 자세한 분석 결과를 발표했다.
2009년 11월 20일사고 이후 처음으로 저에너지 빔이 터널에서 순환했다.[56]
2009년 11월 23일네 개의 검출기 모두에서 450 GeV의 첫 번째 입자 충돌이 발생했다.
2009년 11월 30일LHC가 빔당 1.18 TeV를 달성하여 세계에서 가장 높은 에너지를 가진 입자 가속기가 되었다. 이는 테바트론이 8년 동안 보유했던 빔당 0.98 TeV의 기록을 깨는 것이다.[114]
2009년 12월 15일ALICE 검출기에서 284번의 충돌을 다룬 최초의 과학적 결과가 발표되었다.[115]
2010년 3월 30일중앙유럽 표준시(CEST) 13시 06분에 LHC에서 두 빔이 7 TeV(빔당 3.5 TeV)로 충돌하여 LHC 연구 프로그램이 시작되었다.
2010년 11월 8일납 이온을 사용한 첫 번째 운행 시작.
2010년 12월 6일납 이온을 사용한 운행 종료. 2011년 초까지 가동 중단.
2011년 3월 13일양성자 빔을 사용한 2011년 운행 시작.[116]
2011년 4월 21일LHC가 cm−2s−1의 최대 광도를 달성하여 세계에서 가장 높은 광도를 가진 강입자 가속기가 되었다. 이는 테바트론이 1년 동안 보유했던 cm−2s−1의 기록을 깨는 것이다.[117]
2011년 5월 24일ALICE는 이전 납 충돌에서 쿼크-글루온 플라즈마가 생성되었음을 보고했다.[118]
2011년 6월 17일고광도 실험인 ATLAS와 CMS가 수집된 데이터 1 fb−1에 도달했다.[119]
2011년 10월 14일LHCb가 수집된 데이터 1 fb−1에 도달했다.[120]
2011년 10월 23일고광도 실험인 ATLAS와 CMS가 수집된 데이터 5 fb−1에 도달했다.
2011년 11월두 번째 납 이온을 사용한 운행.
2011년 12월 22일2011년 양성자-양성자 충돌에서 관측된 새로운 복합 입자인 χb (3P) 보토몬늄 메손이 처음 발견되었다.[121]
2012년 4월 5일겨울 가동 중단 후 2012년에 안정적인 빔으로 첫 번째 충돌이 발생했다. 에너지는 빔당 4 TeV(충돌 시 8 TeV)로 증가했다.[122]
2012년 7월 4일이론적으로 예측된 힉스 보손과 "일치하는" 새로운 보손이 관측된 최초의 새로운 기본 입자 발견.(현재 이는 힉스 보손 자체로 확인되었다.[123])
2012년 11월 8일초대칭 이론의 주요 검증인 Bs 메손의 매우 드문 붕괴(Bs0 → μ+μ−)가 처음으로 관측되었으며,[124] 3.5 시그마의 결과가 많은 초대칭 변형이 아닌 표준 모형과 일치하는 것으로 나타났다.
2013년 1월 20일양성자와 납 이온을 충돌시키는 첫 번째 운행 시작.
2013년 2월 11일양성자와 납 이온을 충돌시키는 첫 번째 운행 종료.
2013년 2월 14일가속기를 더 높은 에너지와 광도로 준비하기 위한 첫 번째 장기 가동 중단 시작.[125]
장기 가동 중단 1
2015년 3월 7일운행 2를 위한 주입 테스트에서 양성자가 LHCb와 ALICE로 향했다.
2015년 4월 5일두 빔 모두 가속기에서 순환했다.[102] 4일 후, 양성자당 6.5 TeV의 새로운 최고 에너지 기록이 달성되었다.[126]
2015년 5월 20일양성자가 13 TeV의 최고 충돌 에너지로 LHC에서 충돌했다.[127]
2015년 6월 3일재가동을 위해 거의 2년 동안 오프라인 상태였던 후 물리 데이터 제공 시작.[105]
2015년 11월 4일2015년 양성자 충돌 종료, 이온 충돌 준비 시작.
2015년 11월1 PeV(1015 eV)가 넘는 최고 에너지로 이온 충돌[128]
2015년 12월 13일2015년 이온 충돌 종료
2016년 4월 23일2016년 데이터 수집 시작
2016년 6월 29일LHC가 설계 값인 cm−2s−1의 광도를 달성했다.[39] 그 해에 추가적인 개선을 통해 광도가 설계 값보다 40% 증가했다.[106]
2016년 10월 26일2016년 양성자-양성자 충돌 종료
2016년 11월 10일2016년 양성자-납 충돌 시작
2016년 12월 3일2016년 양성자-납 충돌 종료
2017년 5월 24일2017년 양성자-양성자 충돌 시작. 2017년 동안 광도가 설계 값의 두 배로 증가했다.[129]
2017년 11월 10일2017년 일반적인 양성자-양성자 충돌 모드 종료.[129]
2018년 4월 17일2018년 양성자-양성자 충돌 시작.
2018년 11월 12일CERN에서 2018년 양성자 운행 종료.[130]
2018년 12월 3일2018년 납 이온 운행 종료.[130]
2018년 12월 10일2018년 물리 운행 종료 및 장기 가동 중단 2 시작.[130]
장기 가동 중단 2
2022년 4월 22일LHC가 다시 가동되었다.[131]
2023년 3월 20일5년 만에 처음으로 과학자들이 납 이온을 관찰했다.[132]
2024년 4월 5일LHC가 2024년 첫 안정적인 빔에 도달했다.[133]


2. 1. 건설 배경

2000년에 실험을 종료한 Large_Electron–Positron_Collider영어(약칭 LEP)의 지하 터널에 양성자-양성자 충돌을 위한 가속기를 새로 설치하여 LHC가 건설되었다. LEP 터널은 전체 둘레가 약 26.7km이며[198], 일본에서는 전체 둘레 34.5km의 야마노테 선에 비유되기도 한다.[199][200][201] LEP에 사용되었던 가속기(가속 공동) 등은 모두 초전도형으로 교체되었는데, 이는 전자에 비해 양성자의 질량이 1836배이기 때문에 강력한 자기장이 필요하기 때문이다.

양성자 빔의 충돌 지점에는 지하 100미터 지점에 6층 건물에 해당하는 관측 지점 4곳에 관측 장치 5대가 설치되어 고에너지 물리학 현상에서 발생하는 입자를 관측한다. LEP에서는 표준 모형 검증 실험이 수행되었지만, LHC에서는 더욱 정밀한 표준 모형 검증을 수행한다. 대통일 이론 및 초대칭 이론을 실험적으로 검증하는 것이 장기적인 목표이다.

LHC에서 사용하는 양성자 빔의 안정성을 시뮬레이션하기 위한 목적으로 2004년부터 BOINC을 기반으로 한 LHC@home 프로젝트가 시작되었다.

LHC는 2013년 2월부터 개량을 위해 가동을 중단했다가 2015년 4월 5일에 운전을 재개했다. 개량에 따라 입자에 주어지는 에너지는 8조 전자볼트(8TeV)에서 최대 13조 전자볼트(13TeV)로 증가되었고[202], 13TeV의 충돌이 2015년 5월 20일에 처음으로 달성되었다.[203]

LEP를 위한 기존 시설은 더 높은 광도와 에너지 영역에서 실험할 수 있도록 가속기(가속 공동) 및 입자 유도 코일을 니오븀 계열 합금을 사용한 초전도형으로 변경하였다.

LHC는 양성자와 양성자를 충돌시키는 실험이며, 양성자-반양성자형은 아니다. 반양성자를 생성하려면 양성자 싱크로트론이나 양성자 사이클로트론으로 가속한 양성자를 텅스텐 등의 금속에 충돌시켜 발생하는 반양성자를 모아 실험에 사용해야 한다. 실제로 CERN의 SPS 실험(LHC의 부스터 가속기로 활용)이나 페르미 국립가속기연구소의 테바트론 실험 등에서도 실시하고 있지만, 높은 광도와 연속 충돌을 필요로 하는 실험에는 적합하지 않으므로 양성자-양성자형 실험으로 하였다. 장래에는 양성자-반양성자형 실험도 이루어질 가능성이 있지만, 미정이다.[204]

2. 2. 건설 과정

LHC는 쥐라 산맥 아래 터널 길이를 줄이고, 지상 부지 매입 필요성을 없애며, 지각이 제공하는 배경 방사선 차폐 효과를 이용하기 위해 지하 깊이에 건설되었다.[29] 이 터널은 1983년부터 1988년 사이에 건설된 너비 3.8m의 콘크리트 라이닝 터널로, 이전에는 대형 전자-양전자 충돌기를 수용하는 데 사용되었다.[30] 터널은 스위스와 프랑스 국경을 네 곳에서 횡단하며, 대부분은 프랑스에 위치한다. 지상 건물에는 압축기, 환기 장비, 제어 전자 장비 및 냉각 설비와 같은 보조 장비가 있다.

초전도 사중극 전자석은 가속된 양성자 간의 상호 작용이 일어나는 네 개의 교차점으로 빔을 유도하는 데 사용된다.


충돌기 터널에는 서로 인접한 두 개의 평행한 빔라인(또는 ''빔 파이프'')이 있으며, 각각 반대 방향으로 링 주위를 이동하는 빔을 포함한다. 빔은 링 주위의 네 지점에서 교차하며, 이곳에서 입자 충돌이 일어난다. 약 1,232개의 이중극 자석이 빔을 원형 경로에 유지하며,[31] 추가로 392개의 사중극 자석이 빔을 집속하는 데 사용된다. 두 빔이 교차하는 상호 작용 확률을 극대화하기 위해 교차점 근처에는 더 강력한 사중극 자석이 배치된다. 총 약 10,000개의 초전도 자석이 설치되어 있으며, 이중극 자석의 무게는 27톤이 넘는다.[32] 자석은 니오브-티타늄으로 만들어졌고, 1,900의 작동 온도로 유지하기 위해 약 96톤의 초유체 헬륨-4가 필요하다. 이로써 LHC는 액체 헬륨 온도에서 세계 최대의 극저온 시설이 되었다.[33]

LHC 건설은 1995년에 승인되었으나, 예상치 못한 기술적 문제와 예산 초과로 인해 완공이 지연되었다. 2001년 주요 검토에서 예산 초과가 발생하여 완료 예정일이 2007년 4월로 연기되었다.[65] 뮤온 압축 솔레노이드(Compact Muon Solenoid) 동굴 건설 중 발생한 기술적 어려움[66]과 설계 미흡으로 인한 초기 시험(2007년) 실패, 자석 급냉 및 액체 헬륨 누출(2008년 시험 가동)로 인한 손상으로 추가 비용과 지연이 발생했다.[67]

건설 과정에서 여러 사고도 발생했다.

  • 2005년 10월 25일: 기술자 호세 페레이라 라제스(José Pereira Lages)가 운반 중이던 전력기기에 깔려 사망했다.[69]
  • 2007년 3월 27일: 페르미 연구소(Fermilab)와 고에너지가속기연구기구(KEK)가 설계 및 제공한 극저온 자석 지지대가 LHC의 내부 삼중극(집속 사중극) 자석 조립체 중 하나에 대한 초기 압력 테스트 중에 파손되었다.[70]
  • 2008년 9월 19일: 전기 연결 결함으로 인해 자석 급냉 현상이 발생하여 6톤의 액체 헬륨이 터널로 유출되었다. 이 사고로 53개의 초전도 자석과 그 부착물이 손상되었고, 진공관이 오염되었다.[54][55][82] 이 사고로 인해 수리 및 안전 점검에 약 14개월이 소요되었다.[73][85][74]
  • 2009년 7월: 두 개의 진공 누출이 발견되어 운영 시작이 2009년 11월 중순으로 다시 연기되었다.[91]


최초의 입자빔은 2008년 9월 10일에 가속기 내부를 순환하는 데 성공했다.[80] CERN은 3km씩 단계적으로 양성자를 터널 주변으로 성공적으로 발사했으며, 시계 방향과 반시계 방향 모두 성공적으로 가속기 주변을 돌았다.[53]

2. 3. 가동 및 업그레이드

CERN은 2008년 9월 10일, 대형 강입자 충돌기(LHC)의 첫 번째 빔 순환에 성공했다.[53] 그러나 초전도 자석 결함으로 인한 사고로[54][55][56][57] 2008년 9월 19일부터 2009년 11월 20일까지 가동이 중단되었다. 2009년 11월 20일, LHC는 사고 이후 처음으로 저에너지 빔을 터널 내부에 순환시키기 시작했고,[56] 11월 30일에는 빔당 1.18 TeV를 달성하여 테바트론(Tevatron)을 제치고 세계 최고 에너지 입자 가속기가 되었다.[93]

2010년 3월 30일, LHC는 7 TeV의 에너지로 양성자 빔을 충돌시켜 고에너지 충돌의 새로운 기록을 세웠고, 본격적인 물리 실험을 시작했다.[94] 첫 번째 가동 기간(2010년~2013년) 동안 LHC는 최대 4 TeV의 에너지를 가진 양성자 또는 납 원자핵을 충돌시켰다.[58][59] 이 기간 동안 힉스 보손 발견,[123] χb(3P) 보토몬늄 상태와 같은 여러 복합 입자 발견,[121] 쿼크-글루온 플라즈마 생성,[118] Bs 메손의 희귀 붕괴 관측 등 중요한 발견들이 이루어졌다.[124]

2013년 2월 13일, LHC는 성능 향상을 위해 2년간의 장기 가동 중단(LS1)에 들어갔다.[99] LS1 기간 동안 14 TeV의 충돌 에너지를 달성하기 위한 개선, 검출기 및 사전 가속기 성능 향상, 환기 시스템 교체, 케이블 교체 등이 이루어졌다.[99] 2015년 4월 5일, LHC는 13 TeV의 충돌 에너지로 운전을 재개하여[102][103] 새로운 물리 현상 탐색을 이어갔다.[78]

2018년 12월 10일, LHC는 두 번째 장기 가동 중단(LS2)에 들어갔다.[130] LS2의 목표는 고광도 LHC(HL-LHC) 프로젝트를 구현하여 광도를 10배 증가시키는 것이었다. LS2는 2022년 4월에 종료되었고, 2022년 4월 22일 LHC는 13.6 TeV의 충돌 에너지로 세 번째 운전(Run 3)을 시작했다.[109][110] Run 3는 2026년까지 지속될 예정이며,[112] HL-LHC 업그레이드를 통해 더 높은 광도에 도달할 것으로 예상된다.[113]

날짜이벤트
2008년 9월 10일CERN에서 처음으로 양성자를 터널 전체 회로에 단계적으로 통과시키는 데 성공했다.
2008년 9월 19일3구역과 4구역에서 약 100개의 굽힘 자석에서 자기 급냉이 발생하여 약 6톤의 액체 헬륨이 손실되었다.
2008년 9월 30일사고로 인해 계획되었던 첫 번째 "적당한" 고에너지 충돌이 연기되었다.[32]
2008년 10월 16일CERN에서 사고에 대한 예비 분석 결과를 발표했다.
2008년 10월 21일공식 개관.
2008년 12월 5일CERN에서 자세한 분석 결과를 발표했다.
2009년 11월 20일사고 이후 처음으로 저에너지 빔이 터널에서 순환했다.[56]
2009년 11월 23일네 개의 검출기 모두에서 450 GeV의 첫 번째 입자 충돌이 발생했다.
2009년 11월 30일LHC가 빔당 1.18 TeV를 달성하여 세계에서 가장 높은 에너지를 가진 입자 가속기가 되었다. 이는 테바트론이 8년 동안 보유했던 빔당 0.98 TeV의 기록을 깨는 것이다.[114]
2009년 12월 15일ALICE 검출기에서 284번의 충돌을 다룬 최초의 과학적 결과가 발표되었다.[115]
2010년 3월 30일중앙유럽 표준시(CEST) 13시 06분에 LHC에서 두 빔이 7 TeV(빔당 3.5 TeV)로 충돌하여 LHC 연구 프로그램이 시작되었다.
2010년 11월 8일납 이온을 사용한 첫 번째 운행 시작.
2010년 12월 6일납 이온을 사용한 운행 종료. 2011년 초까지 가동 중단.
2011년 3월 13일양성자 빔을 사용한 2011년 운행 시작.[116]
2011년 4월 21일LHC가 4.67·1032 cm−2s−1의 최대 광도를 달성하여 세계에서 가장 높은 광도를 가진 강입자 가속기가 되었다. 이는 테바트론이 1년 동안 보유했던 4·1032 cm−2s−1의 기록을 깨는 것이다.[117]
2011년 5월 24일ALICE는 이전 납 충돌에서 쿼크-글루온 플라즈마가 생성되었음을 보고했다.[118]
2011년 6월 17일고광도 실험인 ATLAS와 CMS가 수집된 데이터 1 fb−1에 도달했다.[119]
2011년 10월 14일LHCb가 수집된 데이터 1 fb−1에 도달했다.[120]
2011년 10월 23일고광도 실험인 ATLAS와 CMS가 수집된 데이터 5 fb−1에 도달했다.
2011년 11월두 번째 납 이온을 사용한 운행.
2011년 12월 22일2011년 양성자-양성자 충돌에서 관측된 새로운 복합 입자인 χb (3P) 보토몬늄 메손이 처음 발견되었다.[121]
2012년 4월 5일겨울 가동 중단 후 2012년에 안정적인 빔으로 첫 번째 충돌이 발생했다. 에너지는 빔당 4 TeV(충돌 시 8 TeV)로 증가했다.[122]
2012년 7월 4일이론적으로 예측된 힉스 보손과 "일치하는" 새로운 보손이 관측된 최초의 새로운 기본 입자 발견.(현재 이는 힉스 보손 자체로 확인되었다.[123])
2012년 11월 8일초대칭 이론의 주요 검증인 Bs 메손의 매우 드문 붕괴(Bs0 → μ+μ−)가 처음으로 관측되었으며,[124] 3.5 시그마의 결과가 많은 초대칭 변형이 아닌 표준 모형과 일치하는 것으로 나타났다.
2013년 1월 20일양성자와 납 이온을 충돌시키는 첫 번째 운행 시작.
2013년 2월 11일양성자와 납 이온을 충돌시키는 첫 번째 운행 종료.
2013년 2월 14일가속기를 더 높은 에너지와 광도로 준비하기 위한 첫 번째 장기 가동 중단 시작.[125]
장기 가동 중단 1
2015년 3월 7일운행 2를 위한 주입 테스트에서 양성자가 LHCb와 ALICE로 향했다.
2015년 4월 5일두 빔 모두 가속기에서 순환했다.[102] 4일 후, 양성자당 6.5 TeV의 새로운 최고 에너지 기록이 달성되었다.[126]
2015년 5월 20일양성자가 13 TeV의 최고 충돌 에너지로 LHC에서 충돌했다.[127]
2015년 6월 3일재가동을 위해 거의 2년 동안 오프라인 상태였던 후 물리 데이터 제공 시작.[105]
2015년 11월 4일2015년 양성자 충돌 종료, 이온 충돌 준비 시작.
2015년 11월1 PeV(1015 eV)가 넘는 최고 에너지로 이온 충돌[128]
2015년 12월 13일2015년 이온 충돌 종료
2016년 4월 23일2016년 데이터 수집 시작
2016년 6월 29일LHC가 설계 값인 1.0 · 1034 cm−2s−1의 광도를 달성했다.[39] 그 해에 추가적인 개선을 통해 광도가 설계 값보다 40% 증가했다.[106]
2016년 10월 26일2016년 양성자-양성자 충돌 종료
2016년 11월 10일2016년 양성자-납 충돌 시작
2016년 12월 3일2016년 양성자-납 충돌 종료
2017년 5월 24일2017년 양성자-양성자 충돌 시작. 2017년 동안 광도가 설계 값의 두 배로 증가했다.[129]
2017년 11월 10일2017년 일반적인 양성자-양성자 충돌 모드 종료.[129]
2018년 4월 17일2018년 양성자-양성자 충돌 시작.
2018년 11월 12일CERN에서 2018년 양성자 운행 종료.[130]
2018년 12월 3일2018년 납 이온 운행 종료.[130]
2018년 12월 10일2018년 물리 운행 종료 및 장기 가동 중단 2 시작.[130]
장기 가동 중단 2
2022년 4월 22일LHC가 다시 가동되었다.[131]
2023년 3월 20일5년 만에 처음으로 과학자들이 납 이온을 관찰했다.[132]
2024년 4월 5일LHC가 2024년 첫 안정적인 빔에 도달했다.[133]


3. 목적

대한민국을 포함한 85개 국가의 1만여 명의 과학자들이 LHC를 통해 연구를 하고 있으며[214], 물리학자들은 대형 강입자 충돌기를 통해 다음 문제들에 대한 해답을 얻기를 기대하고 있다.


  • 약전자기 대칭은 어떻게 깨지는가? 표준 모형에서 예측하는 힉스 메커니즘에 의한 것인가? 그렇다면, 힉스 보존의 질량은 무엇인가?
  • 표준 모형이 중입자 질량의 비를 정밀히 예측하는가? 아니라면, 표준 모형을 어떻게 확장하여야 하는가?
  • 초대칭이 존재하는가? 초대칭이 예측하는 추가 입자 (초짝입자)가 존재하는가?
  • 왜 물질과 반물질 사이에 명백한 비대칭이 있는 것인가? (CP 위반)
  • 끈 이론 등에 의해 예측된 추가 차원이 실재하는가?
  • 암흑 물질은 무엇으로 이루어진 것인가? 암흑 에너지의 정체는 무엇인가?
  • 왜 중력이 다른 상호작용에 비해 터무니없이 약한가? (계층 문제)


LHC는 또한 다음 질문들을 탐구해 왔다.[19][20]

  • 표준 모형의 확장판이자 포앙카레 대칭인 초대칭성의 일부로서, 알려진 모든 입자들이 초대칭 짝을 가지고 있는가?[21][22][23]
  • 끈 이론에 기반한 다양한 모델에서 예측된 것처럼 여분의 차원이 존재하며, 우리는 그것들을 감지할 수 있는가?[24][25]
  • 우주의 질량-에너지의 27%를 차지하는 것으로 보이는 가상의 물질 형태인 암흑 물질의 본질은 무엇인가?


고에너지 입자 충돌을 사용하여 탐구할 수 있는 다른 미해결 문제는 다음과 같다.

  • 전자기력과 약한 핵력이 전약력이라는 단일 힘의 다른 표현이라는 것은 이미 알려져 있다. LHC는 다양한 대통일 이론에서 예측한 바와 같이 전약력과 강한 핵력이 마찬가지로 하나의 보편적인 통일된 힘의 다른 표현인지 여부를 명확히 할 수 있다.
  • 네 번째 기본 힘인 중력이 다른 세 가지 기본 힘보다 훨씬 더 약한 이유는 무엇인가? 계층 문제도 참조.
  • 표준 모형에 이미 존재하는 것 이상으로 쿼크 플레이버 혼합의 추가적인 원천이 있는가?
  • 물질과 반물질 사이의 대칭에 대한 명백한 위반은 왜 존재하는가? CP 대칭성 깨짐도 참조.
  • 오늘날 특정 소형 및 기묘한 천체에서 존재했던 것으로 여겨지는 초기 우주에서 쿼크-글루온 플라스마의 본질과 특성은 무엇인가? 이것은 주로 ALICE에서, 그러나 CMS, ATLAS, LHCb에서도 ''중이온 충돌''에 의해 조사될 것이다. 2010년에 처음 관측되었고, 2012년에 발표된 연구 결과는 중이온 충돌에서 제트 켄칭 현상을 확인했다.[26][27][28]

4. 구조 및 작동 원리

대형 강입자 충돌기(LHC)는 둘레 26.7km의 원형 터널에 설치되어 있으며, 지하 50m 에서 175m 깊이에 위치한다.[29] 이 터널은 원래 대형 전자-양전자 충돌기(LEP)가 사용하던 공간으로,[213] 스위스와 프랑스 국경을 네 곳에서 횡단하며, 대부분은 프랑스에 위치한다.[30] 지상 건물에는 압축기, 환기 장비, 제어 전자 장비 및 냉각 설비와 같은 보조 장비가 있다.[30]

CERN의 대형 강입자 충돌기 지도


LHC 터널 내부에는 두 개의 평행한 빔라인이 있으며, 각각 반대 방향으로 링 주위를 이동하는 빔을 포함한다. 빔은 링 주위의 네 지점에서 교차하며, 이곳에서 입자 충돌이 일어난다.[31] 약 1,232개의 이중극 자석이 빔을 원형 경로에 유지하며, 392개의 사중극 자석이 빔을 집속하는 데 사용된다.[31] 교차점 근처에는 더 강력한 사중극 자석이 배치되어 두 빔이 교차하는 상호 작용 확률을 극대화한다.[31] 총 약 10,000개의 초전도 자석이 설치되어 있으며, 이중극 자석의 무게는 27톤이 넘는다.[32] 자석을 1.9천°C의 작동 온도로 유지하기 위해 약 96톤의 초유체 헬륨-4가 필요하며, 이로써 LHC는 액체 헬륨 온도에서 세계 최대의 극저온 시설이 된다.[32] LHC는 470톤의 Nb–Ti 초전도체를 사용한다.[33]

LHC 운영 중 CERN 부지는 프랑스 전력망으로부터 약 200 MW의 전력을 공급받는다. LHC 가속기와 검출기는 그중 약 120 MW를 사용한다.[34] 운영 하루 동안 140 테라바이트의 데이터가 생성된다.[35]

양성자당 6.5 TeV의 에너지로 운영될 때, 초전도 이중극 자석의 자기장은 0.54에서 7.7 테슬라 (T)로 증가한다.[36] 각 양성자는 6.5 TeV의 에너지를 가지며, 총 충돌 에너지는 13 TeV가 된다. 이 에너지에서 양성자는 약 6,930의 로렌츠 인자를 가지며 약 0.999999990 ''c'' 또는 광속(''c'')보다 약 3.1m/s 느리게 움직인다.[37]

연속적인 빔 대신, 양성자는 최대 2,808개의 묶음으로 묶여 있으며, 각 묶음에는 1,150억 개의 양성자가 있어 두 빔 간의 상호 작용이 주로 25 나노초(ns) 간격으로 이산적으로 발생하며, 40 MHz의 묶음 충돌률을 제공한다.[37] LHC의 설계 광도는 1034 cm−2s−1이며,[38] 2017년에는 이 값의 두 배가 달성되었다.[129]

LHC 양성자는 작은 빨간색 수소 탱크에서 유래한다.


LHC 물리 프로그램은 주로 양성자-양성자 충돌을 기반으로 한다. 그러나 일반적으로 1년에 한 달 정도의 더 짧은 운영 기간 동안에는 중이온 충돌이 프로그램에 포함된다. 기본 계획은 납 이온을 다루며, 납 이온은 LHC 링에서 핵자당 2.3 TeV(또는 이온당 522 TeV)의 에너지에 도달한다.[42] 이는 상대론적 중이온 충돌기가 도달한 에너지보다 높다. 중이온 프로그램의 목표는 초기 우주에 존재했었던 쿼크-글루온 플라즈마를 조사하는 것이다.[43]

LHC는 계획된 작동 에너지보다 낮은 에너지로 초기 가동을 시작하여 점진적으로 증가시키는 방식으로 운영된다. 이는 거대한 초전도 자석이 자석 훈련을 거쳐야 초전도 능력을 잃지 않고 높은 전류를 처리할 수 있기 때문이다.[78][79]

4. 1. 가속 단계

Linac2 선형 가속기에서 양성자를 50MeV까지 가속한 후, 양성자 싱크로트론 부스터(PSB)로 보낸다. PSB에서 1.4GeV에 도달한 양성자는 양성자 싱크로트론(PS)에서 26GeV로 가속된다.[17] 마지막으로 초양성자 싱크로트론(SPS)에서 양성자를 450GeV까지 가속한다.[17]

LHC 주 가속기에 주입되기 전, 입자는 순차적으로 에너지를 높이는 여러 단계를 거친다. 첫 번째 단계는 160 MeV의 음수 수소 이온(H-)을 생성하는 선형 가속기 Linac4이다.[40] Linac4에서 나온 음수 수소 이온은 양성자 싱크로트론 부스터(PSB)에 공급된다. PSB에서는 수소 이온에서 두 개의 전자가 제거되어 양성자만 남게 된다. 이 양성자는 2 GeV로 가속된 후 양성자 싱크로트론(PS)에 주입되어 26 GeV로 가속된다.[40] 마지막으로, 초양성자 싱크로트론(SPS)을 사용하여 에너지를 450 GeV까지 증가시킨 후 주 링에 주입한다.[40]

주 링에 주입된 양성자 묶음은 축적된 후, 최대 에너지로 가속된다. 이후 5시간에서 24시간 동안 순환하며 네 곳의 교차점에서 충돌이 일어난다.[40] 양성자는 초전도 가속 공동을 통해 최대 6.8 TeV (Run 3 기준)까지 가속된다. 가속된 양성자 빔은 초전도 이중극 자석에 의해 원형 궤도를 유지하며, 사중극 자석에 의해 집속된다.

4. 2. 충돌 및 검출

LHC 링 내부에는 두 개의 양성자 빔이 서로 반대 방향으로 순환하며, 네 개의 교차점에서 충돌한다. 이 충돌 지점에는 9개의 검출기가 설치되어 충돌 생성물을 검출하고 분석한다.[2]

LHC의 CMS 검출기


9개의 검출기는 다음과 같다.

  • ATLAS와 CMS: 대형 범용 검출기이다.[2] ATLAS와 CMS 실험은 힉스 보존을 발견하여, 표준 모형이 기본 입자에 질량을 부여하는 메커니즘을 정확하게 설명하고 있음을 강력하게 시사한다.[44]
  • ALICE와 LHCb: 특수한 역할을 담당한다.[2]
  • TOTEM, MoEDAL, LHCf, SND, FASER: 훨씬 작으며 매우 특수한 연구를 위해 사용된다.[2]


각 실험 그룹은 이론 및 실증 시뮬레이션 실험과 데이터 분석을 수행하는 유럽입자물리연구소(CERN)의 지원 부서로부터 지원을 받는다. 각국 연구 기관의 참여는 유럽입자물리연구소 이사회에서 결정한다.

일본의 여러 대학교 및 연구소들이 참여하고 있으며, 각 실험별 참여 기관은 다음과 같다.

실험명참여 기관
ATLAS 실험고에너지가속기연구기구(KEK), 쓰쿠바대학교, 도쿄대학교, 오차노미즈여자대학교, 와세다대학교, 도쿄공업대학교, (2020-) 도쿄수도대학교, 신슈대학교, 나고야대학교, 교토대학교, 오사카대학교, 고베대학교, 규슈대학교[205]
ALICE 실험히로시마대학교, 도쿄대학교, 쓰쿠바대학교, 나가사키종합과학대학교, 나라여자대학교, 이화학연구소, 일본원자력연구개발기구[206]


  • ATLAS는 드리프트 챔버를 이용한 복합 실험 장치를 통해 양성자-양성자 충돌로 얻어진 소립자를 관측하는 것을 목적으로 한다.
  • CMS는 ATLAS에 필적하는 규모의 검출기이다. 충돌 결과 얻어진 소립자의 붕괴 생성물 중 하나인 뮤온을 측정하는 부분이 소형으로 설계되어 Compact Muon Solenoid라고 불린다.
  • LHCb는 KEK의 B-Factory와 마찬가지로 표준 모형 검증을 목적으로 한다.
  • ALICE는 중이온 충돌 실험을 통해 쿼크-글루온 플라스마 상 등을 밝히는 것을 목적으로 한다.
  • TOTEM은 소립자의 탄성 산란 및 회절 분리 실험을 수행하는 것을 목적으로 한다.
  • LHCf는 우주선의 대기 중 상호 작용 시뮬레이션 모델 검증을 목적으로 한다.

5. 연구 성과

대한민국을 포함해 85개 국가의 1만여 명의 과학자들이 LHC를 통해 연구를 진행하고 있으며[214], 물리학자들은 대형 강입자 충돌기를 통해 여러 물리학적 문제들에 대한 해답을 얻기를 기대하고 있다.[17]

LHC 충돌은 다음 질문들을 탐구해 왔다.[19][20]


  • 표준 모형의 확장판이자 포앙카레 대칭인 초대칭성의 일부로서, 알려진 모든 입자들이 초대칭 짝을 가지고 있는가?[21][22][23]
  • 끈 이론에 기반한 다양한 모델에서 예측된 것처럼 여분의 차원이 존재하며, 우리는 그것들을 감지할 수 있는가?[24][25]
  • 우주의 질량-에너지의 27%를 차지하는 것으로 보이는 가상의 물질 형태인 암흑 물질의 본질은 무엇인가?


고에너지 입자 충돌을 사용하여 탐구할 수 있는 다른 미해결 문제는 다음과 같다.

  • 전자기력과 약한 핵력이 전약력이라는 단일 힘의 다른 표현이라는 것은 이미 알려져 있다. LHC는 다양한 대통일 이론에서 예측한 바와 같이 전약력과 강한 핵력이 마찬가지로 하나의 보편적인 통일된 힘의 다른 표현인지 여부를 명확히 할 수 있다.
  • 네 번째 기본 힘인 중력이 다른 세 가지 기본 힘보다 훨씬 더 약한 이유는 무엇인가? 계층 문제도 참조.
  • 표준 모형에 이미 존재하는 것 이상으로 쿼크 플레이버 혼합의 추가적인 원천이 있는가?
  • 물질과 반물질 사이의 대칭에 대한 명백한 위반은 왜 존재하는가? CP 대칭성 깨짐도 참조.
  • 오늘날 특정 소형 및 기묘한 천체에서 존재했던 것으로 여겨지는 초기 우주에서 쿼크-글루온 플라스마의 본질과 특성은 무엇인가? 이것은 주로 ALICE에서, 그러나 CMS, ATLAS, LHCb에서도 ''중이온 충돌''에 의해 조사될 것이다. 2010년에 처음 관측되었고, 2012년에 발표된 연구 결과는 중이온 충돌에서 제트 켄칭 현상을 확인했다.[26][27][28]


LHC는 9개의 검출기를 통해 실험이 진행중이며, ATLAS 실험과 Compact Muon Solenoid(CMS)는 대형의 범용 입자 검출기이다.[2] ATLAS와 CMS 실험은 힉스 보손을 발견했는데, 이는 표준 모형이 기본 입자에 질량을 부여하는 메커니즘을 정확하게 설명하고 있음을 강력하게 시사한다.[44]

린 에번스(Lyn Evans)], 대형 강입자 충돌기 프로젝트 책임자




LHC 가동과 관련한 주요 사건들은 다음과 같다.

날짜이벤트
2008년 9월 10일CERN에서 처음으로 양성자를 터널 전체 회로에 단계적으로 통과시키는 데 성공.
2008년 9월 19일3구역과 4구역에서 약 100개의 굽힘 자석에서 자기 급냉이 발생하여 약 6톤의 액체 헬륨이 손실.
2008년 9월 30일사고로 인해 계획되었던 첫 번째 "적당한" 고에너지 충돌이 연기.[32]
2008년 10월 16일CERN에서 사고에 대한 예비 분석 결과 발표.
2008년 10월 21일공식 개관.
2008년 12월 5일CERN에서 자세한 분석 결과 발표.
2009년 11월 20일사고 이후 처음으로 저에너지 빔이 터널에서 순환.[56]
2009년 11월 23일네 개의 검출기 모두에서 450 GeV의 첫 번째 입자 충돌 발생.
2009년 11월 30일LHC가 빔당 1.18 TeV를 달성하여 세계에서 가장 높은 에너지를 가진 입자 가속기가 됨. 이는 테바트론이 8년 동안 보유했던 빔당 0.98 TeV의 기록을 깨는 것.[114]
2009년 12월 15일ALICE 검출기에서 284번의 충돌을 다룬 최초의 과학적 결과 발표.[115]
2010년 3월 30일중앙유럽 표준시(CEST) 13시 06분에 LHC에서 두 빔이 7 TeV(빔당 3.5 TeV)로 충돌하여 LHC 연구 프로그램 시작.
2010년 11월 8일납 이온을 사용한 첫 번째 운행 시작.
2010년 12월 6일납 이온을 사용한 운행 종료. 2011년 초까지 가동 중단.
2011년 3월 13일양성자 빔을 사용한 2011년 운행 시작.[116]
2011년 4월 21일LHC가 4.67·1032 cm−2s−1의 최대 광도를 달성하여 세계에서 가장 높은 광도를 가진 강입자 가속기가 됨. 이는 테바트론이 1년 동안 보유했던 4·1032 cm−2s−1의 기록을 깨는 것.[117]
2011년 5월 24일ALICE는 이전 납 충돌에서 쿼크-글루온 플라즈마가 생성되었음을 보고.[118]
2011년 6월 17일고광도 실험인 ATLAS와 CMS가 수집된 데이터 1 fb−1에 도달.[119]
2011년 10월 14일LHCb가 수집된 데이터 1 fb−1에 도달.[120]
2011년 10월 23일고광도 실험인 ATLAS와 CMS가 수집된 데이터 5 fb−1에 도달.
2011년 11월두 번째 납 이온을 사용한 운행.
2011년 12월 22일2011년 양성자-양성자 충돌에서 관측된 새로운 복합 입자인 χb (3P) 보토몬늄 메손이 처음 발견.[121]
2012년 4월 5일겨울 가동 중단 후 2012년에 안정적인 빔으로 첫 번째 충돌 발생. 에너지는 빔당 4 TeV(충돌 시 8 TeV)로 증가.[122]
2012년 7월 4일이론적으로 예측된 힉스 보손과 "일치하는" 새로운 보손이 관측된 최초의 새로운 기본 입자 발견.(현재 이는 힉스 보손 자체로 확인.[123])
2012년 11월 8일초대칭 이론의 주요 검증인 Bs 메손의 매우 드문 붕괴(Bs0 → μ+μ−)가 처음으로 관측,[124] 3.5 시그마의 결과가 많은 초대칭 변형이 아닌 표준 모형과 일치하는 것으로 나타남.
2013년 1월 20일양성자와 납 이온을 충돌시키는 첫 번째 운행 시작.
2013년 2월 11일양성자와 납 이온을 충돌시키는 첫 번째 운행 종료.
2013년 2월 14일가속기를 더 높은 에너지와 광도로 준비하기 위한 첫 번째 장기 가동 중단 시작.[125]
장기 가동 중단 1
2015년 3월 7일운행 2를 위한 주입 테스트에서 양성자가 LHCb와 ALICE로 향함.
2015년 4월 5일두 빔 모두 가속기에서 순환.[102] 4일 후, 양성자당 6.5 TeV의 새로운 최고 에너지 기록 달성.[126]
2015년 5월 20일양성자가 13 TeV의 최고 충돌 에너지로 LHC에서 충돌.[127]
2015년 6월 3일재가동을 위해 거의 2년 동안 오프라인 상태였던 후 물리 데이터 제공 시작.[105]
2015년 11월 4일2015년 양성자 충돌 종료, 이온 충돌 준비 시작.
2015년 11월1 PeV(1015 eV)가 넘는 최고 에너지로 이온 충돌[128]
2015년 12월 13일2015년 이온 충돌 종료
2016년 4월 23일2016년 데이터 수집 시작
2016년 6월 29일LHC가 설계 값인 1.0 · 1034 cm−2s−1의 광도를 달성.[39] 그 해에 추가적인 개선을 통해 광도가 설계 값보다 40% 증가.[106]
2016년 10월 26일2016년 양성자-양성자 충돌 종료
2016년 11월 10일2016년 양성자-납 충돌 시작
2016년 12월 3일2016년 양성자-납 충돌 종료
2017년 5월 24일2017년 양성자-양성자 충돌 시작. 2017년 동안 광도가 설계 값의 두 배로 증가.[129]
2017년 11월 10일2017년 일반적인 양성자-양성자 충돌 모드 종료.[129]
2018년 4월 17일2018년 양성자-양성자 충돌 시작.
2018년 11월 12일CERN에서 2018년 양성자 운행 종료.[130]
2018년 12월 3일2018년 납 이온 운행 종료.[130]
2018년 12월 10일2018년 물리 운행 종료 및 장기 가동 중단 2 시작.[130]
장기 가동 중단 2
2022년 4월 22일LHC가 다시 가동.[131]
2023년 3월 20일5년 만에 처음으로 과학자들이 납 이온을 관찰.[132]
2024년 4월 5일LHC가 2024년 첫 안정적인 빔에 도달.[133]



초기 연구의 초점은 힉스 보손의 존재 가능성을 조사하는 것이었다.[58] 페르미 연구소의 테바트론 양성자-반양성자 충돌보다 높은 에너지에서의 최초 양성자-양성자 충돌 결과는 CMS 협력단에 의해 2010년 2월 초에 발표되었으며, 예상보다 더 많은 하전 하드론 생성을 보였다.[135]

LHC에서 힉스 보손이 생성될 수 있는 한 가지 방법을 보여주는 파인만 다이어그램(Feynman diagram). 여기서, 두 개의 쿼크는 각각 W 또는 Z 보손을 방출하고, 이것들이 결합하여 중성 힉스를 만든다.

5. 1. 힉스 보존 발견

2012년 7월 4일, CMS와 ATLAS 실험팀은 약 125~126 GeV 질량 영역에서 보존을 발견했다고 발표했다. 각각 5시그마 수준의 통계적 유의성을 보였는데, 이는 새로운 입자를 발표하는 데 필요한 공식적인 수준이다.[149] 관측된 특성은 힉스 보손과 일치했지만, 과학자들은 추가 분석을 거쳐 실제로 힉스 보손인지 여부에 대해 신중한 입장을 보였다.[149] 2013년 3월 14일, CERN은 관찰된 입자가 실제로 예측된 힉스 보손이라는 것을 확인했다고 발표했다.[150] 힉스 보존 발견은 표준 모형의 마지막 퍼즐을 맞추는 중요한 성과로 평가된다.

5. 2. 표준 모형 정밀 검증

LHC 실험을 통해 W 보손, Z 보손, 톱 쿼크 등 표준 모형 입자들의 성질이 정밀하게 측정되었다.[163] 특히, 2012년 CMS와 ATLAS 실험에서 힉스 보손으로 추정되는 새로운 입자를 발견하였고,[149] 2013년에 CERN은 이 입자가 힉스 보손임을 확인하였다.[150]

실험내용
ATLAS, CMS
LHCb고에너지 양성자-양성자 충돌 실험을 통해 B입자의 성질을 측정함으로써 물질과 반물질의 비대칭성을 연구한다.
ALICE고에너지 중입자 가속 충돌 실험을 통해 쿼크-글루온 플라즈마를 생성하고, 그 성질을 측정한다.[207]



B 중간자 붕괴와 같은 희귀 현상 연구를 통해 표준 모형의 한계와 새로운 물리학의 가능성도 탐색하고 있다. 2012년 LHCb 실험에서는 B_s 메손이 두 개의 뮤온으로 붕괴하는 매우 드문 현상을 관측하여,[124] 초대칭 이론을 검증하는 데 중요한 단서를 제공하였다.[151][152] 2013년에는 B 메손 붕괴 생성물의 각 분포에서 표준 모형의 예측과 불일치하는 이상 현상이 발견되어, Z' 보손과 같은 새로운 입자의 존재 가능성이 제기되었다.[153]

5. 3. 새로운 입자 및 현상 탐색

LHC(대형 강입자 충돌기)를 통한 연구는 대한민국을 포함한 85개국 1만여 명의 과학자들이 참여하고 있으며[214], 물리학의 여러 미해결 문제에 대한 해답을 찾는 것을 목표로 한다. 특히, 다음과 같은 새로운 입자 및 현상 탐색이 진행 중이다.[19][20]

  • 초대칭 입자: 표준 모형의 확장판인 초대칭 이론에서 예측하는 입자들로, 알려진 모든 입자들이 초대칭 짝을 가지고 있는지 확인한다.[21][22][23]
  • 여분 차원: 끈 이론에 기반한 모델에서 예측되는 추가 차원의 존재 여부를 확인한다.[24][25]
  • W' 및 Z' 게이지 보손: 표준 모형의 일부 확장판에서 예측하는 추가 입자.[134]
  • Z' 보손(Z' boson): 표준 모형으로 예측할 수 없는 B 메손(B meson) 붕괴 생성물의 각 분포에서 발견된 이상 현상의 원인으로 제시되는 가설상의 입자.[153]


새로운 물질 상태 및 입자 발견도 이루어졌다.

  • 쿼크-글루온 플라스마: 초기 우주에서 존재했던 것으로 여겨지는 물질 상태로, ALICE, CMS, ATLAS, LHCb에서 중이온 충돌을 통해 조사되고 있다.[26][27][28] 2011년 5월에는 LHC에서 쿼크-글루온 플라스마가 생성되었다는 보고가 있었다.[118]
  • 펜타쿼크: 2015년 7월 LHCb에서 바텀 람다 바리온(bottom Lambda baryon)(Λ) 붕괴에서 펜타쿼크 상태와 일치하는 결과가 보고되었다.[158][159][160] 2022년 7월 5일 LHCb는 매력 쿼크와 매력 반쿼크, 업 쿼크, 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크로 구성된 새로운 유형의 펜타쿼크를 발견했다고 보고했다.[174][175]
  • 테트라쿼크: 2014년 4월 4일 LHCb에서 테트라쿼크 후보 Z(4430)(Z(4430))의 존재를 확인했다.[156][157] 2016년 6월 28일 LHCb는 J/ψ와 φ 메손으로 붕괴하는 네 개의 테트라쿼크 유사 입자를 발표했다.[161][162] 2022년 7월 5일 LHCb는 최초의 테트라쿼크 쌍을 보고했다.[174]
  • 기타: 2014년 11월 19일 LHCb 실험에서 두 개의 새로운 무거운 아원자 입자인 와 를 발견했다.[154][155] 2021년 3월 현재, LHC 실험에서는 59개의 새로운 하드론을 발견했다.[171]


2024년 9월 18일, ATLAS는 쿼크 간의 양자 얽힘을 최초로 관측했으며, 이는 지금까지 가장 높은 에너지에서의 얽힘 관측이다.[176][177]

6. 한국의 참여

한국은 1997년부터 LHC 건설에 참여하여 ATLAS, CMS, ALICE 실험에 참여하고 있다. 특히 ATLAS 실험에서 뮤온 검출기, 트리거 시스템, 컴퓨팅 등 핵심 분야에서 주도적인 역할을 수행하고 있다. 고려대학교, 경북대학교, 성균관대학교, 전남대학교, 서울시립대학교 등 여러 대학과 연구기관이 LHC 실험에 참여하고 있으며, 한국 연구진은 힉스 보존 발견, 새로운 입자 탐색 등 LHC의 주요 연구 성과에 기여하고 있다. 한국의 LHC 참여는 국내 입자물리학 연구 역량 강화와 국제 과학 협력 증진에 이바지하고 있다.

7. 안전 문제

유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC) 가동과 관련하여, 물리학계 내외에서 다음과 같은 지구 종말 시나리오가 제기되었다.[216]


  • 안정된 블랙홀 생성
  • 보통 물질보다 안정적인 이상한 물질(Strange matter) 생성
  • 양성자 붕괴를 유발할 수 있는 자기 홀극(magnetic monopoles) 생성
  • 다른 양자역학적 진공으로의 전이


CERN은 이러한 우려에 대해 조사한 결과[217], "제기할 수 있는 어떤 문제에 대해서도 근거를 찾을 수 없다"고 결론 내렸다.[181][182][183] 미시 블랙홀은 검증되지 않은 이론이 사실이 아닌 한 생성될 수 없으며, 설령 생성된다 하더라도 호킹 복사에 의해 거의 즉시 소멸되어 무해할 것으로 예상된다.[211] 또한, 지난 수십억 년 동안 LHC에서 생성될 수 있는 것보다 훨씬 강한 에너지를 가진 우주선이 지구에 충돌했음에도 불구하고 제기된 문제들은 일어나지 않았다. 미국물리학회도 이러한 결론을 지지했다.[184]

보고서에서는 LHC 및 유사한 실험에서 발생하는 물리적 조건과 충돌 사건이 우주에서 자연적으로, 그리고 일상적으로 발생하며 위험한 결과를 초래하지 않는다는 점을 강조했다.[182] 여기에는 지구에 충돌하는 초고에너지 우주선이 포함되는데, 이는 인간이 만든 어떤 충돌기보다 훨씬 높은 에너지를 가지고 있다. 오 마이 갓 입자의 경우 3억 2천만 TeV의 에너지를 가지는데, 이는 LHC에서 생성되는 가장 에너지가 높은 충돌보다 수십 배나 더 높은 충돌 에너지이다.

초끈이론 등에 따르면, 8TeV~12TeV 영역에서 마이크로 블랙홀이 생성될 가능성이 있으며 위험하다는 이유로 프랑스 고등법원 및 유럽 사법재판소에 실험 중지를 요구하는 소송이 제기되기도 했다. 그러나 초끈이론 등의 추가 차원이 실제로 존재하더라도, LHC 에너지로 블랙홀이 생성될 가능성은 (현재 실험적으로는 미결정인) 이론적 매개변수가 기존 실험에서 허용되는 상한선에 가까운 밀리미터 차수인 경우에만 해당된다. 즉, 이론이 옳다고 하더라도 LHC 정도의 에너지로는 극소 블랙홀이 생성되지 않을 가능성이 높다.

만약 극소 블랙홀이 생성되더라도, 양자 블랙홀 수준의 극히 작은 것이며, 호킹 복사에 의해 순식간에 증발한다.[211] LHC 실험에서 극소 블랙홀이 발생하여 그것이 붕괴되지 않고 남는다면, 그보다 훨씬 높은 에너지로 쏟아지는 우주선 때문에 대기권에 LHC 실험에서 발생하는 것보다 더 큰 블랙홀이 남게 될 것이다.

일각에서는 막대한 예산이 필요하기 때문에 일부 특권적인 과학자들의 이권이라는 비판이나, 실용적인 연구가 아니라는 비판도 제기한다.

8. 대중 문화

LHC는 소설, TV 시리즈, 비디오 게임, 영화 등 여러 허구 작품에 영감을 주었다. CERN 직원 캐서린 맥알파인(Katherine McAlpine)의 "대형강입자충돌기 랩"(Large Hadron Rap)[185]은 2022년 기준 유튜브(YouTube) 조회수 800만 회를 넘었다.[186][187]

댄 브라운의 소설 천사와 악마에서는 LHC에서 생성된 반물질이 바티칸을 공격하는 무기로 사용되는 내용이 등장한다. 이에 대해 CERN은 소설이 LHC, CERN, 그리고 입자물리학 전반을 얼마나 정확하게 묘사했는지 논하는 "사실인가, 허구인가?" 페이지를 게시했다.[193] 영화 천사와 악마 (영화)는 LHC의 실험 시설 중 한 곳에서 촬영되었으며, 감독 론 하워드는 이야기 속 과학적 내용의 정확성을 높이기 위해 CERN 전문가들과 만났다.[194]

로버트 J. 소여의 소설 플래시포워드는 LHC에서 힉스 보손을 찾는 과정을 다룬다. CERN은 소설과 이를 바탕으로 제작된 TV 시리즈 플래시포워드 (2009년 드라마)에 대해 소여와 물리학자들을 인터뷰한 "과학과 허구" 페이지를 게시했다.[195]

내셔널 지오그래픽 채널의 ''세계에서 가장 힘든 수리(World's Toughest Fixes)'', 시즌 2(2010), 에피소드 6 "원자 분쇄기(Atom Smasher)"는 2008년 급냉 사고 이후 충돌기 수리 과정에서 마지막 초전도 자석 부분 교체 작업을 보여준다. 이 에피소드에는 수리 시설부터 충돌기 내부까지의 실제 영상과 LHC의 기능, 엔지니어링 및 목적에 대한 설명이 포함되어 있다.[190]

더 프레이의 2012년 스튜디오 앨범 ''흉터와 이야기들(Scars & Stories)''에 수록된 "뮌헨(Munich)"이라는 노래는 대형강입자충돌기에서 영감을 받았다. 보컬인 아이작 슬레이드는 허핑턴포스트와의 인터뷰에서 "스위스에 있는 거대한 입자 충돌기가 과학자들이 중력과 질량을 만드는 것을 밝히는 데 도움을 주고 있다. 매우 중요한 질문들이 제기되고 있으며, 심지어 알베르트 아인슈타인이 제안하고 수십 년 동안 받아들여졌던 것들조차도 도전받기 시작했다. 그들은 기본적으로 모든 것을 하나로 묶는 입자인 '신의 입자'를 찾고 있다. 이 노래는 우리가 왜 여기에 있는지, 그리고 무엇이 모든 것을 하나로 묶고 있는지에 대한 미스터리에 관한 것이다."라고 말했다.[191]

대형강입자충돌기는 2012년 학생 영화 ''붕괴(Decay)''의 중심 소재였으며, CERN의 유지보수 터널에서 촬영되었다.[192]

레스 오리블 세르넷(Les Horribles Cernettes)이라는 밴드는 CERN 여성들에 의해 결성되었다. 밴드 이름은 LHC와 같은 약자를 갖도록 선택되었다.[188][189]

9. 미래 계획

LHC는 2022년 7월 5일에 공식적으로 세 번째 가동(Run 3)을 시작하여 2026년까지 지속될 예정이었다.[111][112] 이 가동 기간 동안 LHC는 빔 에너지 6.8 TeV(충돌 에너지 13.6 TeV)에 도달했으며,[109][110] 더 높은 광도에 도달할 것으로 예상된다.[113]

2018년 12월 10일부터 두 번째 장기 가동 중단(LS2)이 시작되어 LHC와 CERN 가속기 복합시설 전체가 유지보수 및 업그레이드되었다. 이 기간 동안 광도를 10배 증가시키는 것을 목표로 하는 고광도 대형 강입자 충돌기(HL-LHC) 프로젝트가 진행되었으며, LS2는 2022년 4월에 종료되었다.[178] 2020년대에는 HL-LHC 프로젝트 완료 전에 세 번째 장기 가동 중단(LS3)이 예정되어 있다.

HL-LHC 업그레이드는 2027년부터 기계의 광도를 최대 1035 cm−2s−1까지 10배 증가시켜, 희귀 현상 관측 가능성을 높이고 통계적으로 한계가 있는 측정을 개선하여 물리학에서 새로운 발견 가능성을 높일 것이다.[113][178]

CERN은 LHC의 뒤를 이을 미래 순환 가속기(FCC)에 대한 예비 설계를 진행 중이다. FCC는 LHC보다 훨씬 강력한 입자 가속기로, LHC 고리를 전가속기로 사용할 것이다. 2023년 현재 건설 자금 조달 여부는 불확실하다.[179]

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