충돌기

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 입자 충돌기의 원리
- 2.1. 고정 표적 실험
- 2.2. 충돌기 실험
3. 입자 충돌기의 역사
4. 주요 입자 충돌기
- 4.1. 현재 가동 중인 충돌기
5. 대한민국의 입자 물리학 연구
참조

1. 개요

충돌기는 입자 물리학 연구를 위해 기본 입자를 매우 높은 에너지로 가속하여 충돌시키는 장치이다. 입자 충돌기를 통해 얻어진 핵반응 생성물을 분석하여 입자 물리학에 대한 통찰력을 얻을 수 있다. 충돌기는 입자 빔을 고정된 표적에 충돌시키는 고정 표적 실험과 두 개의 입자 빔을 반대 방향으로 충돌시키는 충돌기 실험으로 나뉜다. 충돌기 실험은 특수 상대성 이론에 따라 고정 표적 실험보다 더 높은 충돌 에너지를 얻을 수 있다. 주요 입자 충돌기로는 LHC, RHIC 등이 있으며, 미래의 충돌기 개발도 활발히 진행되고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

가속물리학 - 베타트론
베타트론은 전자기 유도 법칙을 이용하여 도넛 모양의 진공 파이프 내에서 전자를 가속하는 장치로, 초기 입자 물리학 실험과 암 치료 등에 활용되었으나 에너지 제한으로 현재는 차세대 가속기로 대체되고 있다.
가속물리학 - 자유 전자 레이저
자유 전자 레이저는 가속된 전자가 주기적인 자기장을 통과하며 발생하는 싱크로트론 방사광을 이용해 빛을 증폭시키는 레이저로, 파장 조절이 용이하며 X선 영역에서 고강도 펄스를 생성하여 과학 연구 및 산업 분야에 활용되고 있다.

충돌기
개요
유형	입자 가속기
기능	입자 충돌
관련 개념	고정 표적 실험 빔 (물리학) 상대론적 질량
상세 정보
작동 원리	두 개의 빔을 서로 반대 방향으로 가속시켜 충돌시킴
에너지	충돌 에너지는 상대론적 질량에 비례 고정 표적 실험보다 훨씬 높은 에너지 구현 가능
장점	높은 에너지로 새로운 입자 생성 및 연구 가능 에너지-질량 변환 연구에 용이
활용 분야	입자물리학 고에너지 물리학 기초 과학 연구
예시	강입자 충돌기 (대형 강입자 충돌기) 전자-양전자 충돌기
고정 표적 실험과의 비교
고정 표적 실험	입자 빔을 고정된 표적에 충돌시킴
에너지 효율	충돌기는 고정 표적 실험보다 에너지 효율이 높음
새로운 입자 생성	충돌기는 고정 표적 실험보다 새로운 입자 생성에 유리

2. 입자 충돌기의 원리

입자 물리학에서는 기본 입자에 대한 지식을 얻기 위해 입자를 매우 높은 운동 에너지로 가속하여 다른 입자와 충돌시킨다. 충분히 높은 에너지에서는 입자를 다른 입자로 변환하는 핵반응이 일어나는데, 이러한 생성물을 감지하면 관련된 물리학에 대한 통찰력을 얻을 수 있다.^[2]

이러한 실험을 수행하는 방법에는 크게 두 가지가 있다.

고정 표적 실험: 입자 가속기를 사용하여 입자 빔(투사체)을 가속하고, 빔이 지나가는 경로에 고정된 표적을 놓아 충돌을 일으킨다.
충돌기: 두 개의 입자 빔을 가속하여 서로 반대 방향으로 향하게 한 후, 입자들이 반대 방향으로 날아가는 동안 충돌하도록 한다.

충돌기 방식은 구성하기 어렵지만, 특수 상대성 이론에 따르면 두 입자가 서로를 향해 접근하며 비탄성 충돌을 일으킬 때 얻을 수 있는 에너지가, 한 입자가 정지해 있는 경우보다 훨씬 크다는 장점이 있다. 충돌 속도가 빛의 속도에 가까워질수록 이 에너지 차이는 더욱 커진다.^[2]

2. 1. 고정 표적 실험

입자 물리학에서 기본 입자에 대한 지식을 얻기 위해, 입자를 매우 높은 운동 에너지로 가속하여 다른 입자와 충돌시킨다. 충분히 높은 에너지에서는 입자를 다른 입자로 변환하는 핵반응이 일어난다. 이러한 생성물을 감지하면 관련된 물리학에 대한 통찰력을 얻을 수 있다.^[2]

고정 표적 실험은 입자 가속기로 입자 빔(''투사체'')을 가속하고, 빔 경로에 고정된 표적을 놓아 충돌을 일으키는 방식이다.^[2]

실험실 프레임에서 충돌점이 정지해 있는 충돌기(

\vec p_1 = -\vec p_2

)의 경우, 질량 중심 에너지

E_\mathrm{cm}

(충돌에서 새로운 입자를 생성하는 데 사용할 수 있는 에너지)는 단순히

E_\mathrm{cm} = E_1 + E_2

이다. 여기서

E_1

및

E_2

는 각 빔에서 입자의 총 에너지이다. 입자 2가 정지해 있는 고정 표적 실험의 경우,

E_\mathrm{cm}^2 = m_1^2 + m_2^2 + 2 m_2 E_1

이다.^[2]

2. 2. 충돌기 실험

입자 물리학에서 사람들은 입자를 매우 높은 운동 에너지로 가속하고 다른 입자와 충돌시켜 기본 입자에 대한 지식을 얻는다. 충분히 높은 에너지에서는 입자를 다른 입자로 변환하는 핵반응이 일어난다. 이러한 생성물을 감지하면 관련된 물리학에 대한 통찰력을 얻을 수 있다.

이러한 실험을 수행하기 위한 두 가지 가능한 설정은 다음과 같다.

고정 표적 실험: 입자 빔(''투사체'')을 입자 가속기로 가속하고, 충돌 파트너로 빔 경로에 고정된 표적을 놓는다.
충돌기: ''두'' 입자 빔을 가속하고 빔을 서로 반대 방향으로 향하게 하여 입자가 반대 방향으로 비행하는 동안 충돌하도록 한다.

충돌기 설정은 구성하기 어렵지만, 특수 상대성 이론에 따르면 주어진 속도로 서로 접근하는 두 입자 사이의 비탄성 충돌 에너지가 한 입자가 정지해 있는 경우(비상대론적 물리학의 경우)보다 4배가 아닌 큰 장점을 가진다. 충돌 속도가 빛의 속도에 가까우면 차수가 더 높아질 수 있다.

충돌점이 실험실 프레임에서 정지해 있는 충돌기(

\vec p_1 = -\vec p_2

)의 경우, 질량 중심 에너지

E_\mathrm{cm}

(충돌에서 새로운 입자를 생성하는 데 사용할 수 있는 에너지)는 단순히

E_\mathrm{cm} = E_1 + E_2

이며, 여기서

E_1

및

E_2

는 각 빔에서 입자의 총 에너지이다.

입자 2가 정지해 있는 고정 표적 실험의 경우,

E_\mathrm{cm}^2 = m_1^2 + m_2^2 + 2 m_2 E_1

이다.^[2]

3. 입자 충돌기의 역사

입자 충돌기 개발은 여러 단계를 거쳐 현재에 이르렀다. 초기에는 주로 전자와 양전자를 이용한 실험이 이루어졌으며, 이후 양성자와 반양성자를 이용한 더 높은 에너지의 충돌 실험이 가능하게 되었다.

미국 중서부 대학교 연구 협회(MURA)는 충돌기에 대한 최초의 진지한 제안을 한 그룹 중 하나이다. 최초의 전자-양전자 충돌기는 이탈리아 국립 핵물리학 연구소와 미국 스탠포드-프린스턴 팀에 의해 건설되었다. CERN은 최초의 강입자 충돌기인 교차 저장 링(ISR)을 건설했다.

현재 세계에서 가장 높은 에너지를 가진 충돌기는 CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)이다.

3. 1. 초기 개발

1950년대 후반과 1960년대 초반, 미국 중서부 대학교 연구 협회(MURA) 그룹은 충돌기에 대한 최초의 진지한 제안을 했다. 이들은 두 개의 접선형 방사형 섹터 FFAG 가속기 링을 건설할 것을 제안했다.^[3] 오카와 치히로는 단일 자석 링 내에서 두 개의 반대 방향으로 회전하는 입자 빔을 가속할 수 있는 방사형 섹터 FFAG 가속기 설계를 개발했다.^[4]^[5] MURA 그룹은 1961년에 50 MeV 전자 기계인 세 번째 FFAG 프로토타입을 제작하여 이 개념의 실현 가능성을 입증했다.

제라드 K. 오닐은 단일 가속기를 사용하여 입자를 한 쌍의 접선 저장 링에 주입하는 것을 제안했다. 원래 MURA 제안과 마찬가지로 충돌은 접선 구간에서 발생한다. 저장 링은 훨씬 낮은 플럭스를 달성하는 주입 가속기에서 높은 빔 플럭스를 축적할 수 있다는 이점이 있다.^[6]

1950년대 후반에서 1960년대 초반, 이탈리아 로마 근처 프라스카티의 국립 핵물리학 연구소에서 오스트리아-이탈리아 물리학자 브루노 투셰크가 최초의 전자-양전자 충돌기를 건설했다. 미국에서는 윌리엄 C. 바버, 버나드 기텔만, 게리 오닐, 버튼 릭터를 포함한 스탠포드-프린스턴 팀이 건설했다. 거의 같은 시기에 게르쉬 부드커의 감독 하에 부드커 핵물리학 연구소에서 ''VEP-1'' 전자-전자 충돌기가 독립적으로 개발되어 건설되었다. 세 팀은 1964년 중반에서 1965년 초에 충돌하는 빔에서 입자 반응에 대한 최초의 관측 결과를 거의 동시에 보고했다.^[7]

1966년에는 CERN에서 교차 저장 링에 대한 작업이 시작되었고, 1971년에 가동되었다.^[8] ISR은 CERN 양성자 싱크로트론에 의해 주입된 양성자를 축적하고 충돌시키는 한 쌍의 저장 링이었다. 이는 이전의 모든 시도가 전자 또는 전자와 양전자로 작업했기 때문에 최초의 강입자 충돌기였다.

1968년, 페르미 국립 가속기 연구소에서 가장 높은 에너지의 양성자 가속기 복합 단지 건설이 시작되었다. 결국 테바트론 충돌기로 업그레이드되었고, 1985년 10월에는 질량 중심 에너지 1.6 TeV에서 최초의 양성자-반양성자 충돌이 기록되어 당시 세계에서 가장 높은 에너지의 충돌기가 되었다. 나중에 에너지는 1.96 TeV에 도달했으며, 2011년 말 충돌기 작동 시 루미노시티는 원래 설계 목표의 430배를 초과했다.^[9]

2009년 이후, 세계에서 가장 높은 에너지의 충돌기는 CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)이다. 현재 양성자-양성자 충돌에서 13 TeV 질량 중심 에너지로 작동한다. 힉스/전약력 물리학에 대한 자세한 탐구와 LHC 이후 에너지 전선에서의 발견을 위해, 원형 및 선형, 강입자(양성자-양성자 또는 이온-이온) 충돌, 렙톤(전자-양전자 또는 뮤온-뮤온) 충돌, 또는 전자와 이온/양성자 충돌 등 다양한 유형의 미래 입자 충돌기 프로젝트가 10개 이상 현재 검토 중이다.^[10]

3. 2. 전자-양전자 충돌기

1950년대 후반~1960년대 초반, 이탈리아 로마 근처 프라스카티의 국립 핵물리학 연구소에서 오스트리아-이탈리아 물리학자 브루노 투셰크에 의해 최초의 전자-양전자 콜라이더가 건설되었다.^[7] 같은 시기 미국에서는 윌리엄 C. 바버, 버나드 기텔만, 게리 오닐, 버튼 릭터를 포함한 스탠포드-프린스턴 팀이 전자-양전자 콜라이더를 건설하였다.^[7] 거의 같은 시기에 게르쉬 부드커의 감독 하에 부드커 핵물리학 연구소에서 ''VEP-1'' 전자-전자 콜라이더가 독립적으로 개발되어 건설되었다.^[7] 1964년 중반~1965년 초, 세 팀은 거의 동시에 충돌하는 빔에서 입자 반응에 대한 최초의 관측 결과를 보고했다.^[7]

3. 3. 강입자 충돌기

페르미 국립 가속기 연구소에서 1968년에 가장 높은 에너지의 양성자 가속기 복합 단지 건설이 시작되었다.^[9] 이 복합 단지는 결국 테바트론 콜라이더로 업그레이드되었으며, 1985년 10월에 질량 중심 에너지 1.6 TeV에서 최초의 양성자-반양성자 충돌이 기록되어 당시 세계에서 가장 높은 에너지의 콜라이더가 되었다. 이후 에너지는 1.96 TeV에 도달했으며, 2011년 말 콜라이더 작동 시 루미노시티는 원래 설계 목표의 430배를 초과했다.^[9]

CERN에서는 1966년에 교차 저장 링(ISR)에 대한 작업이 시작되었고, 1971년에 이 콜라이더가 가동되었다.^[8] ISR은 CERN 양성자 싱크로트론에 의해 주입된 양성자를 축적하고 충돌시키는 한 쌍의 저장 링이었다. 이는 이전의 모든 시도가 전자 또는 전자와 양전자로 작업했기 때문에 최초의 강입자 콜라이더였다.

2009년 이후, 세계에서 가장 높은 에너지의 콜라이더는 CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC)이다. LHC는 현재 양성자-양성자 충돌에서 13 TeV 질량 중심 에너지로 작동한다. 힉스/전약력 물리학에 대한 자세한 탐구와 LHC 이후 에너지 전선에서의 발견을 위해, 원형 및 선형, 강입자(양성자-양성자 또는 이온-이온) 충돌, 렙톤(전자-양전자 또는 뮤온-뮤온) 충돌, 또는 전자와 이온/양성자 충돌 등 다양한 유형의 미래 입자 콜라이더 프로젝트가 10개 이상 현재 검토 중이다.^[10]

4. 주요 입자 충돌기

주요 입자 충돌기 목록은 입자 데이터 그룹 웹사이트에서 가져온 것이다.^[11]

가속기	센터, 도시, 국가	최초 가동	가속 입자	빔당 최대 에너지 (GeV)	루미노시티 (10³⁰ cm⁻² s⁻¹)	둘레 (길이) (km)
VEPP-2000	INP, 노보시비르스크, 러시아	2006	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	1.0	100	0.024
VEPP-4М	INP, 노보시비르스크, 러시아	1994	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	6	20	0.366
BEPC II	IHEP, 베이징, 중국	2008	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	2.45^[12]	1000	0.240
DAFNE	LNF, 프라스카티, 이탈리아	1999	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	0.510	453^[13]	0.098
SuperKEKB	KEK, 쓰쿠바, 일본	2018	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	7 (electron\|전자^영어), 4 (positron\|양전자^영어)	24000^[14]	3.016
RHIC	BNL, 뉴욕, 미국	2000	proton^영어proton\|양성자-양성자^영어, Au-Au, Cu-Cu, d-Au	255, 100/n	245, 0.0155, 0.17, 0.85	3.834
LHC	CERN, 제네바, 스위스/프랑스	2008	pp, Pb-Pb, p-Pb, Xe-Xe	6500 (계획 7000), 2560/n (계획 2760/n)	21000,^[15] 0.0061, 0.9, 0.0004	26.659

4. 1. 현재 가동 중인 충돌기

입자 데이터 그룹 웹사이트에서 가져온 정보를 바탕으로 현재 가동 중인 충돌기는 다음과 같다.^[11]

가속기	센터, 도시, 국가	최초 가동	가속 입자	빔당 최대 에너지, GeV	루미노시티, 10³⁰ cm⁻² s⁻¹	둘레 (길이), km
VEPP-2000	INP, 노보시비르스크, 러시아	2006	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	1.0	100	0.024
VEPP-4М	INP, 노보시비르스크, 러시아	1994	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	6	20	0.366
BEPC II	IHEP, 베이징, 중국	2008	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	2.45^[12]	1000	0.240
DAFNE	LNF, 프라스카티, 이탈리아	1999	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	0.510	453^[13]	0.098
SuperKEKB	KEK, 쓰쿠바, 일본	2018	electron^영어positron\|전자-양전자^영어	7 (electron\|전자^영어), 4 (positron\|양전자^영어)	24000^[14]	3.016
RHIC	BNL, 뉴욕, 미국	2000	proton^영어proton\|양성자-양성자^영어, Au-Au, Cu-Cu, d-Au	255, 100/n	245, 0.0155, 0.17, 0.85	3.834
LHC	CERN, 제네바, 스위스/프랑스	2008	pp, Pb-Pb, p-Pb, Xe-Xe	6500 (계획 7000), 2560/n (계획 2760/n)	21000,^[15] 0.0061, 0.9, 0.0004	26.659

5. 대한민국의 입자 물리학 연구

(빈 문서)

참조

_[1] 웹사이트 Fixed-target vs. Collider https://news.fnal.go[...] 2013-08-02
_[2] 논문 Concept of Luminosity https://cds.cern.ch/[...] 2003
_[3] 논문 Attainment of Very High Energy by Means of Intersecting Beams of Particles
_[4] 특허 Particle Accelerator https://patents.goog[...]
_[5] 뉴스 Science: Physics & Fantasy https://web.archive.[...] Time 1957-02-11
_[6] 논문 Storage-Ring Synchrotron: Device for High-Energy Physics Research http://www.feynman.p[...]
_[7] arXiv The first colliders: AdA, VEP-1 and Princeton-Stanford
_[8] 뉴스 The ISR in the time of Jentschke http://cerncourier.c[...] CERN Courier 2003-06-01
_[9] 논문 The Legacy of the Tevatron in the Area of Accelerator Science
_[10] 논문 Modern and future colliders
_[11] 웹사이트 High Energy Collider Parameters http://pdg.lbl.gov/2[...]
_[12] 서적 30 Years of Bes Physics: Proceedings of the Symposium https://books.google[...] World Scientific 2020
_[13] 논문 Test of crab-waist collisions at DAΦNE Φ factory https://inspirehep.n[...]
_[14] 뉴스 SuperKEKB collider achieves the world's highest luminosity https://www.kek.jp/e[...] 2020-06-26
_[15] 논문 Performance of electron and photon triggers in ATLAS during LHC Run 2 https://inspirehep.n[...]
_[16] 웹인용 보관된 사본 https://news.fnal.go[...] 2021-06-18
_[17] 논문 High energy particle colliders: past 20 years, next 20 years and beyond
_[18] 논문 Crystal Ball: On the Future High Energy Colliders

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com