표준 모형이 해결할 수 없는 미해결 문제(암흑 물질을 구성하는 기본 입자, 물질이 우주를 지배하는 이유, 물질-반물질 비대칭성, 중력에 대한 힘 입자, 암흑 에너지, 중성미자 질량 등)에 대한 답을 찾기 위해서는 표준 모형을 넘어서 표준 모형 입자와 매우 약하게 상호 작용하는 새롭고 가벼운 입자의 존재 가능성을 탐구해야 할 뿐만 아니라 기존 LHC 시설의 범위를 넘어서는 새롭고 무거운 입자의 존재를 탐구해야 할 수도 있습니다. 제안된 미래 원형 충돌기(FCC)는 표준 모형을 넘어서 그러한 기본 입자의 존재를 탐색하는 것을 가능하게 할 것입니다. CERN 이사회는 현재 FCC 타당성 조사 보고서를 검토했습니다. CERN 이사회에서 FCC 건설에 대한 최종 결정은 2028년경에 내려질 것으로 예상됩니다. 승인되면 FCC 건설은 2030년대에 시작될 수 있습니다. 둘레가 약 100km이고 제네바 근처 LHC와 같은 위치인 지하 약 200m에 위치할 것입니다. 이 장치는 2041년에 운영이 종료되는 대형 강입자 충돌기(LHC)의 후속 장치입니다. FCC는 두 단계로 구현됩니다. 첫 번째 단계인 FCC-ee는 가벼운 입자 탐색을 위한 정밀 측정용 전자-양전자 충돌기로, 2040년대 후반부터 15년간의 연구 프로그램을 제공합니다. 이 단계가 완료되면 두 번째 장치인 FCC-hh(고에너지)가 같은 터널에서 시운전될 예정입니다. 두 번째 단계는 더 무거운 입자 탐색을 위해 100 TeV(LHC의 13 TeV보다 훨씬 높음)의 충돌 에너지에 도달하는 것을 목표로 합니다. 이 단계는 2070년대에 가동되어 21세기 말까지 운영될 예정입니다.
2025년 11월 6~7일, CERN 이사회(CERN 회원국 및 준회원국 대표단으로 구성)는 제안된 미래 원형 충돌기(FCC)에 대한 타당성 조사 결과를 검토했습니다.
앞서 CERN은 CERN 회원국 및 준회원국을 비롯한 여러 기관과 협력하여 미래 원형 충돌기(FCC)의 실현 가능성을 평가하는 연구를 수행했습니다. 이 보고서는 2025년 3월 31일에 발표되었으며, CERN 이사회 산하 기관들의 검토를 거쳤습니다. 또한 독립 전문가 위원회의 검토도 진행되었으며, 제시된 문서를 바탕으로 FCC의 기술적인 실현 가능성이 높다고 밝혔습니다.
CERN 이사회 대표들은 2025년 11월 6일과 7일에 열린 전담 회의에서 FCC 타당성 조사 보고서를 검토하고, 이 타당성 조사가 FCC 연구를 지속할 수 있는 기반을 제공한다는 결론을 내렸습니다. 이는 2026년 5월 CERN 이사회가 FCC를 승인하는 데 중요한 진전이며, 모든 권고안은 검토를 위해 이사회에 제출될 예정입니다. CERN 이사회는 2028년경 FCC 건설에 대한 최종 결정을 내릴 것으로 예상됩니다.
미래 원형 충돌기(FCC)는 CERN에서 제안된 차세대 입자 충돌기 중 하나입니다. 2041년에 가동이 종료될 예정인 대형 강입자 충돌기(LHC)의 후속으로 건설될 것으로 예상됩니다. CERN은 현재 CERN의 주력 장비인 LHC의 후속 모델을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.
2008년에 가동을 시작한 대형 강입자 충돌기(LHC)는 둘레 27km의 원형 충돌기로, 제네바 인근 지하 100m에 위치해 있습니다. 현재 세계에서 가장 크고 강력한 충돌기로, 13테라전자볼트(TeV)의 에너지로 충돌을 발생시키는데, 이는 지금까지 가속기가 달성한 가장 높은 에너지입니다. LHC는 강입자를 빛의 속도에 가깝게 가속한 후, 초기 우주의 조건을 모방하여 충돌시킵니다.
| 입자 가속기/충돌기는 매우 초기 우주로 가는 창문입니다. |
| "초기 우주"는 우주의 가장 초기 단계(빅뱅 직후 3분)를 지칭합니다. 당시 우주는 극도로 뜨거웠고, 우주는 복사 에너지에 완전히 지배당했습니다. 플랑크 시대는 빅뱅부터 10억 년 전까지 지속된 복사 에너지 시대의 첫 번째 시대입니다.-43 s. 온도 1032 K, 이 시대에 우주는 매우 뜨거웠습니다. 플랑크 시대 이후 쿼크 시대, 렙톤 시대, 그리고 핵융합 시대가 이어졌는데, 이 시대들은 모두 수명이 짧았지만, 우주가 팽창함에 따라 점차 낮아지는 극도로 높은 온도를 특징으로 했습니다. 우주의 이 초기 단계에 대한 직접적인 연구는 불가능합니다. 가능한 것은 입자 가속기를 사용하여 이 단계의 우주 조건을 재현하는 것입니다. 가속기/충돌기에서 입자 충돌을 통해 생성된 데이터는 매우 초기 우주를 간접적으로 살펴볼 수 있는 창을 제공합니다. 충돌기는 입자물리학에서 매우 중요한 연구 도구입니다. 이는 입자를 빛의 속도에 가까운 매우 빠른 속도로 가속하여 반대 방향에서 오는 다른 입자나 목표물과 충돌하게 하는 원형 또는 선형 기계입니다. 충돌은 수조 켈빈(초기 방사선 시대와 유사한)에 달하는 매우 높은 온도를 생성합니다. 충돌하는 입자의 에너지가 더해지므로 충돌 에너지가 더 높아집니다. 충돌 에너지는 질량-에너지 대칭에 따라 초기 우주에 존재했던 입자의 형태로 물질로 변환됩니다. 예를 들어, 아원자 입자인 전자가 반물질 파트너인 양전자와 충돌하면 물질과 반물질이 소멸하고 에너지가 방출됩니다. 방출된 에너지에서 다양한 유형의 새로운 기본 입자가 응축됩니다. 새로운 입자로는 힉스 보손이나 탑 쿼크가 있는데, 이들은 매우 무거운 아원자 물질 구성 요소입니다. 어쩌면 아직 발견되지 않은 암흑 물질 입자와 초대칭 입자도 있을 수 있습니다. 초기 우주에 존재했던 조건 속에서 고에너지 입자들 간의 이러한 상호작용은 당시에는 접근하기 어려웠던 세계를 들여다볼 수 있는 창을 제공하며, 충돌 부산물 분석은 기본 입자에 대한 우리의 이해를 풍부하게 하고 물리 법칙을 이해하는 방법을 제시합니다. 입자 가속기는 초기 우주 연구를 위한 연구 도구로 사용됩니다. 강입자 충돌기(특히 CERN의 대형 강입자 충돌기 LHC)와 전자-양전자 충돌기는 초기 우주 탐사의 선두에 있습니다. 대형 강입자 충돌기(LHC)의 ATLAS와 CMS 실험은 2012년 힉스 보손을 발견하는 데 성공했습니다. (출처 : "매우 초기 우주" 연구를 위한 입자 충돌기: 뮤온 충돌기 시연) |
CERN의 고휘도 대형 강입자 충돌기(HL-LHC)는 충돌 횟수를 늘려 LHC의 성능을 향상시켜 알려진 메커니즘을 더욱 자세히 연구할 수 있게 해줍니다. HL-LHC는 2029년까지 가동될 예정입니다.
제안된 미래 원형 충돌기(FCC)는 대형 수입자 충돌기(LHC)보다 성능이 더 뛰어난 입자 충돌기가 될 것입니다. 대형 강입자 충돌기(LHC)의 관측 범위를 벗어나는 새롭고 더 무거운 입자의 존재와 표준 모형 입자와 매우 약하게 상호작용하는 더 가벼운 입자의 존재를 탐색하도록 설계된 FCC는 LHC와 같은 위치인 지하 약 200m 깊이에 위치하며, 둘레가 약 100km에 달할 것입니다. FCC가 승인될 경우, 건설은 2030년대에 시작될 수 있습니다.
FCC는 두 단계로 구현될 예정입니다. 첫 번째 단계인 FCC-ee는 정밀 측정을 위한 전자-양전자 충돌기입니다. 2040년대 후반부터 15년간의 연구 프로그램을 제공할 예정입니다. 이 단계가 완료되면, 두 번째 장치인 FCC-hh(고에너지)가 같은 터널에서 시운전될 예정입니다. 이 장치는 하드론(양성자)과 중이온의 충돌 에너지를 100 TeV까지 높이는 것을 목표로 합니다. FCC-hh는 2070년대에 가동을 시작하여 21세기 말까지 운영될 예정입니다.
FCC는 왜 필요하며, 어떤 목적을 위해 존재할까요?
우리 모두를 구성하는 모든 중입자 일반 물질을 포함한 관측 가능한 전체 우주는 우주의 질량 에너지 함량의 4.9%에 불과합니다. 보이지 않는 암흑 물질은 26.8%를 구성합니다(나머지 68.3%는 암흑 에너지입니다). 암흑 물질이 실제로 무엇인지는 알려져 있지 않습니다. 입자 물리학의 표준 모형(SM)에는 암흑 물질이 되는 데 필요한 특성을 가진 기본 입자가 없습니다. 표준 모형의 입자와 짝을 이루는 "초대칭 입자"가 암흑 물질을 만든다고 생각됩니다. 또는 암흑 물질의 평행 세계가 있을 수도 있습니다. WIMP(약하게 상호작용하는 질량 입자), 액시온 또는 불임 중성미자는 "표준 모형 너머"(BSM)로 가정된 입자로 유력한 후보입니다. 그러나 아직 그러한 입자를 감지하는 데 성공하지 못했습니다. 표준 모형이 답할 수 없는 다른 많은 미해결 문제(물질-반물질 비대칭, 중력, 암흑 에너지, 중성미자 질량 등)가 있습니다. 또한, 2012년 대형 강입자 충돌기(LHC)의 ATLAS와 CMS 실험에서 히그스 보손이 발견된 이후, 우주의 진화에서 히그스 장의 역할에 대한 논의가 시작되었습니다.
위의 열린 질문에 대한 가능한 답변은 입자 물리학의 표준 모형을 넘어섭니다. 표준 모형 입자와 매우 약하게 상호 작용하는 새롭고 가벼운 입자의 존재를 탐구해야 할 수도 있습니다. 이를 위해서는 대량의 데이터 수집과 그러한 입자의 생성 신호에 대한 매우 높은 감도가 필요하며, 이는 FCC의 첫 번째 단계인 FCC-ee(정밀 측정)의 범위에 속합니다. 또한 고에너지 시설이 필요한 새롭고 더 무거운 입자의 존재를 탐구하는 것도 필수적입니다. FCC의 두 번째 단계인 FCC-hh(고에너지)는 100 TeV(LHC의 13 TeV보다 훨씬 높음)의 충돌 에너지에 도달하는 것을 목표로 합니다. 첫 번째 단계 전자-양전자(e+e-) 충돌기의 모양과 관련하여 원형이 선호되었습니다(선형과 비교). 원형은 더 높은 광도와 최대 4회 실험을 가능하게 하고 이후 두 번째 단계 고에너지 하드론 충돌기를 위한 인프라를 제공하기 때문입니다.
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참조 :
- CERN. 보도자료 – CERN 이사회, 차세대 충돌기 타당성 조사 검토. 2025년 11월 10일. 다음에서 확인 가능 https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- CERN. 보도자료 – CERN, 미래 원형 충돌기 개발 가능성 보고서 발표. 2025년 3월 31일. 다음에서 확인 가능 https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- 미래 원형 충돌기 타당성 조사가 이제 완료되었습니다. https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- FCC: 물리학 사례. 2024년 3월 27일. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
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관련 기사 :
- "매우 초기 우주" 연구를 위한 입자 충돌기: 뮤온 충돌기 시연 (31 10 월 2024)
- CERN, 물리학 과학 여정 70주년 기념 (2 2 월 2024)
- 우리는 궁극적으로 무엇으로 구성되어 있습니까? 우주의 기본 빌딩 블록은 무엇입니까? (2021년 11월 8일)
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FCC에 대한 몇 가지 교육 비디오:
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 that the Standard Model cannot address, one may need to look beyond the Standard Model of particle physics and explore the possible existence of new, lighter particles that interact very weakly with Standard Model particles, as well as explore the existence of new, heavier particles beyond the reach of existing LHC facility. The proposed Future Circular Collider (FCC) would make it possible to search for the existence of such fundamental particles beyond the Standard Model.){kind=link}