CERN, 고휘도 LHC에서 양성자 빔 모을 자석 8기 설치 준비 마쳐

CERN은 2026년 10월 28일 고휘도 LHC(HiLumi LHC) 업그레이드에 사용할 길이 7.2미터 사중극자 자석 8기의 검증을 마치고 터널 설치 준비를 끝냈다고 밝혔습니다. 자석은 ATLAS와 CMS 실험 지점에서 양성자 빔을 더 좁게 모읍니다. 예비 자석 2기는 마무리 제작 단계이며, 첫 자석들의 터널 설치는 2028년으로 예상됩니다.

새 자석의 명목 최대 자기장은 11.3테슬라이고 안쪽 구경은 150밀리미터입니다. CERN은 기존 LHC 사중극자 자석의 명목 최대 자기장 8.6테슬라보다 강한 자기장과 더 큰 구경이 빔을 더 강하게 모으는 데 기여한다고 설명합니다. 빔을 더 좁게 모으면 고휘도 LHC가 목표로 하는 입자 충돌 횟수를 늘리는 데도 도움이 됩니다.

코일 재료도 기존 니오븀-티타늄(Nb-Ti)에서 니오븀-주석(Nb₃Sn)으로 바뀌었습니다. 니오븀-주석은 초전도 상태가 된 뒤 취성이 커져 코일을 감을 때 생기는 큰 변형을 견디기 어렵습니다. 그래서 연구진은 초전도 상태를 만들기 전에 케이블을 코일 모양으로 감고, 나중에 열처리해 초전도체를 만드는 ‘권선 후 반응’ 방식으로 제작합니다.

제작 과정에서는 약 760미터 길이의 케이블을 중심 지지대에 감아 코일을 만듭니다. 권선한 코일은 불활성 기체 안에서 며칠간 열처리합니다. 온도를 단계적으로 높여 약 210도와 400도에서 유지한 뒤 최고 약 650도까지 올리면 케이블 속 니오븀과 주석이 반응해 초전도체가 됩니다. 열처리 뒤에는 취성 재료가 손상되지 않도록 코일의 변형을 최소화해 다룹니다. 이어 에폭시 수지를 스며들게 해 내부 빈틈을 메우고, 수지를 굳혀 코일을 단단하게 만듭니다.

CERN 자석 엔지니어 Susana Izquierdo Bermúdez와 동료 연구진의 연구를 소개한 IEEE Spectrum에 따르면, 연구진은 코일 250개를 제작했고 이 가운데 25개는 사람의 실수나 제조 과정의 문제로 전기적·기계적 성능이 기준에 미달했습니다. 한 코일은 보호 부품과 코일 사이에 끼인 작은 금속 입자가 성능을 방해했을 가능성이 제기돼 폐기됐습니다.

코일 네 개가 하나의 사중극자 자석을 이룹니다. 자석은 보정용 자석과 함께 Q2 저온 조립체에 들어가며, CERN은 설치에 필요한 조립체 8개의 검증을 마쳤습니다. 2026년 9월 1일 마지막 조립체의 저온 통전 시험과 최종 고전압 시험을 끝냈습니다. CERN에 따르면 마지막 시험 대상인 사중극자 자석 MQXFB11은 1.9켈빈과 4.5켈빈에서 목표 전류인 16.53킬로암페어에 도달했습니다.