CERN, LHC 운전 종료하고 Long Shutdown 3 돌입

• 세계 최강 입자 가속기 LHC가 마지막 물리 운전을 마치며, CERN은 High-Luminosity LHC 준비를 위한 Long Shutdown 3(LS3) 에 들어감
• 2008년 첫 빔 순환 이후 Runs 1–3에서 축적한 데이터는 2012년 힉스 보손 발견과 85개 이상의 하드론 발견 등 주요 성과로 이어짐
• 2030년 가동 예정인 HiLumi LHC는 광도를 기존 설계 대비 최대 10배로 높여 힉스 보손 정밀 연구와 표준모형 너머 탐색을 강화함
• LS3 동안 수천 명의 전문가가 LHC, 주입기, 실험 장치를 HiLumi 버전으로 전환하며, LHC에서만 1.2km의 자석과 부품을 제거·교체함
• ATLAS와 CMS는 훨씬 더 많은 충돌과 초당 50억 회 이상의 상호작용을 처리해야 해, 트리거와 검출기 기술을 대폭 바꿔야 함

LHC 운전 종료와 LS3 전환

• LHC는 최종 물리 운전 이후 꺼졌고, CERN은 Long Shutdown 3(LS3) 를 시작함
• LS3는 유지보수, 보강, 업그레이드, 설치 작업을 묶은 대규모 프로그램으로, 연구소를 High-Luminosity LHC 단계에 맞게 준비함
• LHC는 2008년 9월 첫 빔을 순환시켰고, 2009년 첫 양성자 충돌을 제공함
• 세 번의 운전 기간인 Runs 1–3 동안 실험 장치들에 전례 없는 양의 데이터를 제공함

LHC가 남긴 과학·기술 성과

• 가장 잘 알려진 성과는 2012년 7월 4일 ATLAS와 CMS Collaborations가 발표한 힉스 보손 발견임
  • 이 발견은 거의 반세기 전에 제안된 메커니즘을 확인함
• LHC는 힉스 보손 이후에도 여러 분야에서 진전을 만듦
  • 85개 이상의 하드론 발견
  • 새로운 입자 발견에 대한 배제 한계 설정
  • 물질과 반물질의 불균형 탐색
  • quark–gluon plasma의 성질 연구
  • 천체물리학에 중요한 함의를 갖는 측정
• 과학 성과 외에도 가속기 과학, 초전도 기술, 컴퓨팅, 국제 협력의 발전을 이끎

HiLumi LHC의 목표와 일정

• HiLumi LHC는 2030년 운전 시작이 예정돼 있음
• 충돌기의 광도를 기존 설계 대비 최대 10배까지 높일 계획임
• 더 큰 데이터셋을 수집해 힉스 보손을 더 정밀하게 연구할 수 있음
• 표준모형 너머의 현상을 발견할 가능성도 커짐
• CERN은 기존 LHC 운전 단계를 마무리하고, HiLumi LHC를 향한 전환점에 들어섬

LS3의 공학 작업 범위

• LS3는 LHC 건설 이후 CERN 가속기 복합체에서 가장 광범위한 개입임
• 2030년까지 CERN과 전 세계 파트너 기관의 수천 명의 전문가가 참여함
• 작업 대상은 LHC, 주입기, 실험 장치이며, 이들을 HiLumi 버전으로 전환함
• 전체 가속기 복합체와 실험 시설에서도 필수 보수 프로젝트가 진행됨
  • SPS North Area 보강
  • CNGS target area 해체
  • ECN3를 고강도 fixed-target 시설로 전환
  • ISOLDE 시설 개보수
  • 인력 안전 시스템, 전력망, 기술 갤러리 보강
• LHC에서는 1.2km의 자석과 부품이 제거되고 새 장비로 교체됨

ATLAS와 CMS 업그레이드

• LHC 동굴의 ATLAS와 CMS 실험은 대규모 업그레이드를 거쳐 사실상 새 검출기로 바뀜
• HiLumi LHC의 성능을 활용하려면 매 bunch crossing마다 140~200회 양성자-양성자 충돌을 처리해야 함
  • 마지막 LHC 운전 기간에는 약 60회 수준이었음
• 두 실험은 초당 50억 회 이상의 상호작용 중에서 분석할 가치가 높은 충돌을 식별하고 선택해야 함
• 이를 위해 ATLAS와 CMS는 추가 분석 대상 이벤트를 고르는 트리거 시스템을 완전히 교체함
• 새 검출기 기술도 함께 도입됨
  • 현재 검출기보다 훨씬 많은 수십억 개 readout channel을 갖춘 all-silicon tracking system
  • 수십 피코초 해상도의 고정밀 timing detector
  • megahertz 속도로 동작 가능한 새 calorimeter system

빔 없는 기간의 연구와 재가동

• LS3 기간에는 입자 빔이 순환하지 않음
• 수천 명의 연구자는 LHC 시대에 축적된 방대한 데이터셋을 계속 분석하고 새 물리 결과를 추출함
• 동시에 앞으로의 실험 과제에 대비해 장치를 준비함
• 가속기 복합체는 2028년부터 점진적으로 재가동될 예정임
• HiLumi LHC는 LHC의 유산을 바탕으로 고에너지 물리학의 새 단계를 열고, 우주와 근본 과학 문제를 더 깊이 탐구할 기회를 제공함