제네바 호수 인근에는 유럽 입자 물리 연구소(CERN)가 세계 최대 규모의 입자 가속기, 대형 강입자 충돌기(LHC)를 운영하고 있습니다. 연구자들은 입자를 초고속으로 가속·충돌시키며 우주의 근본적인 물리 법칙을 탐구하고, 예를 들어 암흑물질이 무엇으로 이루어져 있는지 규명하기 위해 노력하고 있습니다. 이 과정에서 모든 기본입자에 질량을 부여하는 것으로 알려진 일명 ‘신의 입자’, 힉스 보손의 존재도 이미 입증했습니다.
초대형 검출기
LHC 입자가속기는 약 27킬로미터에 달하는 거대한 원형 터널로, ATLAS와 CMS를 포함한 네 개의 주요 측정 지점을 따라 정교한 장비들이 배치되어 있습니다. 에펠탑과 맞먹는 무게의 광대한 실린더형 구조물들은 거대한 지하 동굴 속에 자리 잡고 있으며, 연구자들에게는 우주의 비밀을 들여다볼 수 있는 창과도 같은 존재입니다.
ATLAS 검출기는 양성자 간 정면 충돌에서 발생하는 새로운 입자를 발견하기 위해 개발되었습니다. 이 연구는 추가 차원, 힘의 통일, 암흑 물질에 대한 이해 등 우주의 근본 원리를 밝히는 데 중요한 기여를 하고 있습니다.
CMS 검출기는 양성자-양성자 충돌과 중이온 충돌에서 생성되는 입자를 연구하기 위해 개발되었습니다. 연구자들은 “우주는 왜 지금의 모습일까?”, “어떤 입자들은 왜 다른 것보다 더 무겁지?”, “암흑 물질은 무엇으로 이루어져 있을까?”와 같은 물리학의 근본적인 질문에 대한 해답을 찾고자 하고 있습니다.
숨겨진 비밀을 파헤치기 위해 ATLAS와 CMS는 방출된 입자의 궤적, 운동량, 에너지를 오차 없이 기록하는 정밀 측정 기술을 사용합니다. 두 검출기는 각각 수백 제곱미터에 달하는 실리콘 센서 모듈로 뒤덮여 있으며, 초당 10억 번이 넘는 입자 충돌 상호작용을 포착합니다.
왼쪽 이미지: 스위스 CERN 실험실의 ATLAS 및 CMS 검출기는 정밀 측정을 사용하여 방출된 입자의 경로, 모멘텀 및 에너지를 기록합니다. CMS 검출기는 양성자-양성자 및 중이온 충돌에서 생성된 입자를 연구합니다. 이미지 출처: CERN
오른쪽 이미지: ATLAS 검출기는 양성자의 정면 충돌로 인한 입자 발견에 사용됩니다. 이 연구는 추가 차원, 힘의 통일 및 암흑 물질에 대한 연구에 기여합니다. 이미지 출처: CERN
완벽한 냉각 유지
정밀한 측정을 보장하고 실리콘 센서가 강한 방사선에 손상되지 않도록 하기 위해서는 영하 55 °C까지 낮아지는 온도 환경이 필요합니다. 또한 전자 장비와 센서 자체에서도 많은 열이 발생하기 때문에, 이를 효과적으로 방출하는 냉각 시스템이 필수적입니다.
2026년부터 2029년까지 계획된 장기 셧다운 기간 동안 LHC 가속기와 그 실험 장비들은 대대적인 업그레이드를 진행할 예정입니다. 그중 하나는 실리콘 추적 검출기를 전면 교체하는 작업입니다.
"ATLAS 및 CMS는 모든 실리콘 추적 및 엔드캡 열량계 검출기에 2상 CO2 냉각 시스템을 사용할 것입니다. 이 시스템은 낮은 점도와 검출기 작동에 적합한 온도 범위에서 높은 열 전달을 가능하게 합니다."라고 CERN의 냉각 엔지니어이자 CMS 냉각 코디네이터인 Jérôme Daguin은 말합니다.
냉각 시스템은 특수 증발기를 통해 CO2 를 순환시키는 병렬 모듈식 장치를 기반으로 합니다. 각 냉각 모듈에는 액체 CO2를 순환시키기 위한 특수 다이어프램 펌프가 장착됩니다.
CERN은 냉각 매체를 정밀하고 안전하게 도입하기 위해 아트라스콥코 그룹 내 브랜드인 LEWA의 펌프 전문가와 다시 한 번 협력하고 있습니다. 다양한 크기의 LEWA 다이어프램 계량 펌프를 사용하여 사용된 액체 CO2 를 냉각 회로에 정밀하고 지속적으로 공급합니다.
한계를 넘어서
LEWA의 다이어프램 정량펌프는 CERN의 까다로운 요구 조건을 충족하도록 특별히 테스트되었습니다. 정교한 냉각 매체가 서비스 동굴에서 검출기까지 오류 없이 전달되는 것은 연구의 핵심 요소였기에, CERN과 LEWA 모두 어떠한 변수도 허용하지 않았습니다. 이를 위해 원격 제어형으로 개조된 여러 시제품이 제작되어 실제 환경과 동일한 조건에서 시험대 역할을 수행했습니다. 이 펌프들은 먼저 물로 시험한 뒤 에탄올로 세척되었고, 이후 CO2로 사용한 연속 운전 테스트를 통해 성능과 안정성이 최종 검증되었습니다.
“견고하고 오래 지속될 수 있는 솔루션을 구현하는 것이 무엇보다 중요했습니다. 요구사항 목록은 상당히 야심적이었고, 매우 특별한 조정이 필요했지요.” 라고 Wieland Wolff, LEWA의 지역 영업 관리자(Area Sales Manager)는 설명합니다.
예를 들어, 기본 버전의 기존 씰은 먼저 적합성이 검증된 후 더 적절한 버전으로 교체되었습니다. 현장 설치 후 CO2 경고 경보가 불필요하게 작동하는 것을 방지하기 위해 밀폐 구조의 유닛은 중요한 부위에 불소중합체인 PTFE로 코팅되었습니다. 또한, 구동부와 드라이브 헤드는 CERN의 기기에 적합한 측정 지점을 제공하도록 수정되었습니다.
또한 구동 장치에서 전달되는 온도는 -20 °C 미만이어서는 안 됩니다. 이를 위해 LEWA 엔지니어는 유압 오일이 가열될 수 있는 왕복 라인을 추가하여 -55 °C CO2 가 구동 장치에 도달하지 않도록 방지했습니다.
LHC 입자 가속기 공정은 아트라스콥코 그룹 내 브랜드인 LEWA의 다이어프램 미터링 펌프가 구현하는 저온 환경에 기반해 운영됩니다.
상호 혜택
오랜 기간의 준비 작업이 결실을 맺어, LEWA는 총 18대의 ecoflow LDG 펌프 중 첫 번째 물량의 공급을 본격적으로 시작했습니다.
펌프는 방사선과 자기장이 존재하는 실험 구역을 벗어난 서비스 동굴에 설치되어 있으며, 검출기와는 떨어진 위치에서 운용됩니다. 이를 통해 전기식 스트로크 조절과 주파수 인버터를 사용해 중앙 제어실에서 원격으로 안전하게 제어할 수 있어, 현장에 직원이 상주할 필요가 없습니다.
현재 셧다운이 완료되면 설치된 펌프는 전송 라인, 분배 매니폴드 및 소형 냉각 파이프의 복잡한 네트워크를 통해 전자 장치와 실리콘 센서를 냉각합니다.
자세한 정보는 다음 주소를 참조하세요. www.lewa.com 및 www.atlas.cern
