메가프로젝트
CERN: 입자를 이해하여 현대 세계를 구축하기
CERN은 현대 과학의 근원
The European Organization for Nuclear Research, or CERN, has been one of the most important facilities in the world for the study of subatomic particles and fundamental physics.
This is important work, as quantum physics and relativity have been the fundamental sciences behind many, if not most, of the modern worlds technological innovations, including computers, cell phones, lasers, telecommunications, satellites, MRI, solar panels, advanced microscopes, nuclear energy, etc.
이는 모든 기술이 원자, 전자 및 기타 입자의 가장 작은 규모에서의 행동에 대한 깊은 이해를 필요로 하기 때문이며, 이러한 이해는 전자가 원자핵을 도는 단순화된 모델을 훨씬 넘어섭니다. 예를 들어, 가장 간단한 원자인 수소조차도 전자의 실제 행동을 설명하기 위해 복잡한 방정식이 필요합니다.
CERN은 또한 인터넷 자체를 포함한 많은 다른 발견이 탄생한 진정한 글로벌·국제 과학 이니셔티브였습니다.
마지막으로, CERN 시설의 건설, 운영 및 업그레이드는 초전도체, 센서, 초고출력 레이저 및 자석과 같은 많은 첨단 과학 분야에서 연구와 공학을 촉진하는 주요 동력이었습니다.
시작부터 야심찬 과학
CERN은 1954년 12개 유럽 국가에 의해 설립되었으며, 프랑스어 약어 “Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire“가 이름의 유래가 되었습니다.
출처: Wikipedia
현대 입자 물리학의 큰 부분이 CERN에서 탄생했다고 해도 과장이 아닙니다, 특히:
- 4가지 기본 힘 중 하나를 전달하는 약한 보손의 발견은 1984년 물리학 노벨상을 수상했습니다.
- 반수소 원자의 최초 생성.
- 새로운 물질 상태인 쿼크-글루온 플라즈마의 발견.
- 입자 검출기 발명 및 개발로 CERN 연구자가 1992년 물리학 노벨상을 받음.
- 히그스 보손의 기술 및 관측으로 CERN 연구자들이 2013년 물리학 노벨상을 받음.
출처: CERN
오늘날 CERN은 25개 국가가 정회원으로, 10개 국가가 준회원으로 참여하고 있으며, 이는 정회원이 되기 위한 첫 단계입니다. 여기에 관찰자 지위(일본, 러시아, 미국)와 거의 모든 국가와의 협력·과학적 교류가 추가됩니다.
CERN은 직접 3,500명을 고용하고 있으며, 가장 큰 그룹은 과학자와 엔지니어이며, 그 다음은 기술자이며, 약 백 명에 달하는 연구 물리학자들이 이끌고 있습니다.
출처: CERN
CERN 인프라
CERN의 모든 성과는 입자 가속기와 검출기를 건설하는 세계적 수준의 엔지니어링 없이는 불가능했을 것입니다.
입자 가속기는 공기와 먼지가 전혀 없는 강력한 진공 상태에서 입자를 이동시켜 작동합니다. 강력한 전자석과 전기장이 입자를 가속하고 가속기 안에 가두어 둡니다. 가속된 입자는 때때로 빛의 속도 99.9% (초당 299 792 458 미터 / 시속 186 000 마일)까지 도달해 다른 입자 빔이나 고정 표적에 충돌합니다.
이러한 충돌에서 발생하는 극한 속도와 에너지는 과학자들이 입자의 근본적인 성질을 더 잘 이해하도록 돕습니다.
오늘날 CERN의 주요 입자 가속기는 스위스 제네바에 위치한 LHC(대형 강입자 충돌기)입니다. LHC는 깊이 175 미터(575 피트)까지 파고드는 지하 터널이며, 원주 27 킬로미터(17 마일)의 원형을 이룹니다.
앞으로는 제네바 호수 아래와 도시 주변을 관통하는 90~100 km 규모의 더 큰 가속기가 이보다 더 작아질 수도 있습니다(아래에서 자세히).
출처: Swisstopo
현재 “주요” LHC 외에도 CERN은 무거운 입자, 양성자, 플라즈마, 불안정 핵 연구 등을 위한 11개의 다른 입자 가속기를 운영하고 있습니다. 이들 가속기는 서로 보완하며, 많은 경우 서로에게 필요한 입자를 공급하는 복잡한 연동 시스템을 형성합니다.
출처: CERN
이 기관은 1950년대 이후 건설된 11개의 폐기된 입자 가속기와 충돌기도 보유하고 있습니다.
CERN 기술
LHC
LHC가 깊은 지하에 위치한 이유는 과학적·재정적 이유가 혼합돼 있기 때문입니다. 27 km 반경의 지표면 토지를 확보하는 것보다 터널을 파는 것이 비용면에서 저렴합니다, 특히 비싼 제네바 지역에서는 더욱 그렇습니다. 암석층은 또한 우주 및 표면 방사선으로부터 시설을 차폐합니다.
출처: CERN
LHC는 지금까지 건설된 가장 강력한 입자 가속기이며, 연간 평균 600 GWh를 소비합니다. 이는 CERN 전체 에너지 소비량 1.3 TWh의 절반에 해당합니다. 비교하자면 프랑스 전체가 500 TWh, EU는 3 400 TWh, 전 세계는 20 000 TWh를 소비합니다.
LHC는 각각 빛의 속도에 가까운 두 개의 입자 빔을 만들어 서로 충돌시킵니다. 이 빔은 9593개의 초전도 전자석에 의해 가이드되고 구속되며, 액체 헬륨(-271.3 °C, -456.34 °F)으로 냉각됩니다.
대부분의 에너지 소비는 전자석을 작동시키는 데 사용되며, 동시에 거대한 양의 액체 헬륨을 생산하는 데에도 에너지가 소모됩니다.
LHC 목표
LHC는 2008년에 첫 충돌을 성공시켰으며 2040년대까지 운영될 예정입니다. 히그스 보손 발견을 포함한 첫 번째 런 이후 현재는 두 번째 런을 준비하기 위해 대규모 업그레이드와 유지보수 작업이 진행 중이며, 이때 충돌 에너지는 13 TeV(테라 전자볼트)까지 상승합니다.
히그스 보손 발견 이후 LHC는 암흑 에너지와 암흑 물질이라는 소위 “어두운” 구성 요소의 역할과 본질을 밝히는 등 우주의 근본적인 질문에 답하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.
극한 에너지 수준은 또한 “쿼크-글루온 플라즈마” 상태에서의 초기 우주를 이해하는 데 통찰을 제공할 것입니다.
ATLAS
LHC의 핵심 보완 장치인 ATLAS 입자 검출기는 지금까지 건설된 가장 큰 입자 검출기로, 길이 46 미터(150 피트), 직경 25 미터(82 피트)입니다.
이 검출기에는 충돌로 생성된 입자를 기록하기 위해 1억 개가 넘는 민감한 전자 채널이 포함되어 있습니다.
다양한 서브 검출기가 각각 별도의 역할을 수행하며, 동시에 광자, 전자, 뮤온, 파이온 등을 감지합니다.
출처: ATLAS
5900명 이상의 물리학자, 엔지니어, 기술자, 학생 및 관리자들이 ATLAS 구축 및 운영에 참여했으며, 이는 40개국 이상 180개의 과학 기관을 대표합니다.
CERN – 탄생한 기술
이러한 수 킬로미터에 달하는 입자 가속기들은 시간이 흐름에 따라 인류에게 많은 유용한 기술을 제공해 왔습니다.
인터넷 발명
아마도 CERN이 만든 가장 영향력 있는 기술은 인터넷일 것입니다; 정말로.
CERN은 자체 내부 네트워크를 위해 TCP/IP 프로토콜을 만들었고, World Wide Web 개념은 CERN의 팀버스-리(Tim Berners‑Lee)에 의해 발명되었습니다. 그는 첫 번째 웹사이트를 만들었습니다(링크를 따라가면 당시 모습이 보입니다).
초기에는 연구자들이 데이터를 보다 쉽게 교환하고 아이디어를 공유하기 위한 수단으로 생각되었습니다.
출처: CERN
1993년 CERN은 World Wide Web 소프트웨어를 공공 영역 지식재산으로 전 세계에 공개했습니다. 또한 그리드 컴퓨팅(웹으로 연결된 다수의 컴퓨터를 이용해 계산을 수행하는 과정)의 선구자이기도 했습니다.
따라서 입자 가속기 연구 기관인 CERN이 가장 위대한 기여 중 하나는 양자 물리 실험이 아니라 지식·데이터·소프트웨어의 자유로운 교환을 촉진한 것이었습니다.
의료 응용
CERN 연구의 한 응용 분야는 입자 가속기에 대한 깊은 이해입니다. 현재는 소형 가속기가 병원에서 암 치료용 방사선 치료에 일상적으로 사용되고 있습니다. 지속적인 연구를 통해 이들 가속기는 점점 더 효율적이고, 작아지며, 비용도 낮아지고 있습니다.
또 다른 암 치료 기여는 핵 의학 분야, 즉 희귀 동위원소를 이용해 암세포를 파괴하는 것입니다.
이러한 방사성 동위원소 중 일부는 CERN에서만 독점적으로 생산됩니다.
의료 영상 분야 역시 입자 물리학이 핵심적인 역할을 합니다. X‑ray, MRI, PET 스캔, 컴퓨터 단층촬영(CT) 모두 입자 물리학의 원리를 기반으로 합니다.
ATLAS 입자 검출기를 위해 개발된 센서 덕분에 중입자 방사선 치료와 의료 영상 기술이 크게 향상되었습니다.
COVID‑19 팬데믹 동안 CERN은 폐쇄된 공간에서 바이러스 농도를 모델링하는 오픈소스 도구(COVID Airborne Risk Assessment tool – CARA)를 개발했으며, 방 크기, 체류 시간, 마스크 착용 여부, 인원 수, 환기량 등을 변수로 사용했습니다.
에너지·그린 테크
CERN은 Airbus와 협력하여 초전도 케이블을 활용한 경량 항공기(심지어 전기 항공기) 개발에 전문성을 제공하고 있습니다.
극저온에서 재료를 시험하는 CERN의 경험은 항공기 수송에 수소를 활용하는 가능성을 평가하는 데에도 유용합니다.
CERN은 또한 세계 최대 핵융합 프로젝트인 ITER와 긴밀히 협력하고 있으며, 성공한다면 무한한 청정 에너지를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 핵융합은 초고출력 자석과 초전도 재료에 크게 의존하므로 CERN의 전문성과 겹치는 부분이 명확합니다.
데이터 처리
입자가 검출될 때마다 마이크로초 단위로 발생하는 데이터 양은 거대합니다. 40 TB/s에 달하는 데이터는 나중에 저장하기가 불가능합니다.
이 때문에 CERN 과학자들은 실시간으로 가장 중요한 데이터를 선별할 수 있는 알고리즘 설계에 전문가가 되었습니다.
CERN은 CEVA(센서)와 ABB Motors와 협력해 이러한 알고리즘을 활용해 CERN 시설 및 장비의 에너지 소비를 최적화하고 있습니다.
이 기술은 자동차 안전 기업 Zenseact가 저지연 자율주행 시스템을 개발하는 데에도 사용됩니다.
동일한 원리는 드론 및 로봇 시스템 전반에 적용되고 있으며, 특히 Terabee와 협력하고 있습니다.
우주항공
CERN은 장비와 실험에서 발생하는 강렬하고 때로는 이색적인 방사선 형태를 다루는 오랜 경험을 보유하고 있습니다.
이 경험은 위성 및 유인 우주 실험의 방사선 차폐에 실용적으로 활용될 수 있으며, 종종 유럽 우주국(ESA)과 협력합니다.
예를 들어, CERN은 목성의 혹독한 방사선 환경을 재현할 수 있는 지구 유일의 시설을 보유하고 있습니다.
기타 응용
CERN은 모든 입자 검출기와 시스템을 나노초 수준까지 완벽히 동기화해야 하는 요구사항 때문에 이 분야에서도 전문가가 되었습니다.
오픈소스 “CERN‑born time‑synchronisation” 표준은 통신, 금융 시장, 양자 네트워크 등에 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 거래 제공업체 Deutsche Börse는 자체 거래 시스템 인프라에 이를 적용하고 있습니다.
교육
CERN은 고급 과학 및 물리학 교육 자원으로도 활동하고 있습니다.
이를 위해 3D 프린팅이 가능한 장비 모델, 설명용 만화·코믹북, 교사를 위한 교실 자료를 무료로 제공하고 있습니다.
동시에 CERN은 자체 고성능 오픈소스 디지털 라이브러리 프레임워크를 무료로 제공하며, 현재 전 세계 도서관·대학·기관에서 사용되고 있습니다.
CERN의 지식 공유 헌신은 Orvium이라는 오픈소스·분산형 과학 출판 인프라에서도 나타납니다.
마지막으로, CERN은 시설 투어, 현지 박물관, 예술 전시 등을 제공하고 있습니다.
CERN 미래 인프라·성과
고광도 LHC (HL–LHC)
CERN 연구원과 기술자들은 현재 설비에서 가능한 한 많은 것을 끌어내기 위해 노력하면서 동시에 다음 단계를 모색하고 있습니다.
첫 번째 단계는 “고광도 LHC”, 즉 HL–LHC이며, 이는 LHC의 광도를 10배로 높이는 업그레이드입니다. 예를 들어, 고광도 LHC는 연간 최소 1,500만 개의 히그스 보손을 생산할 것으로 예상되며, 이는 2017년 LHC가 생산한 약 300만 개에 비해 크게 증가한 수치입니다.
출처: CERN
이번 업그레이드에는 자석, 초전도 연결부, 강화된 보호 장치, 향상된 가속기 등이 포함됩니다.
HL–LHC는 2030년대 중반에 가동될 예정이며, 토목 공사는 2018년 4월에 시작되었고 2024년 12월에 첫 자석을 받았습니다.
Future Circular Collider (FCC)
LHC 이후에는 90 km 규모의 거대한 설계가 차세대 입자 가속기의 다음 단계가 될 것으로 예상되며, 이는 Future Circular Collider (FCC)라고 불립니다. 평균 깊이 200 미터(656 피트)에서 건설될 예정입니다.
첫 번째 실험은 15년 동안 진행될 것이며, 2040년대 중반에 시작되는 전자·양전자 충돌기인 FCC‑ee가 그 주인공입니다. FCC‑ee의 전력 소비는 연간 1~1.8 TWh 사이가 될 것으로 예상됩니다.
두 번째 기계인 FCC‑hh는 양성자·양성자 충돌기로, 동일한 터널에 설치되어 2070년대에 시작해 25년 이상 운영될 예정입니다.
전체 프로젝트 비용은 약 CHF150억으로 15년에 걸쳐 지출될 예정이며, 타당성 조사 최종 완료는 2025년, CERN 위원회의 최종 결정은 2027‑2028년, 건설은 2030년대에 시작될 것으로 예상됩니다.
FCC는 표준 모델을 넘어서는 이론이 예측하는 입자를 조사할 수 있으며, 이를 위해서는 더 민감한 검출기나 더 강력한 가속이 필요합니다.
이러한 물리학에 대한 심층 이해는 컴퓨터 성능 향상과 소재 과학의 새로운 가능성을 열어줄 것이며, 인류가 별을 항해하고 진정한 인공지능을 창조하거나 무한한 풍부한 에너지를 누릴 수 있는 진정한 고도 문명으로 나아가는 데 핵심이 될 것입니다.
CERN 관련 기업
CEVA
(CEVA )
CEVA는 센서 기업으로, CERN과 파트너십을 맺어 기관의 알고리즘을 활용해 센서 효율성과 전력 소비를 개선하고 있습니다. CEVA 솔루션과 IP(200개 특허)는 180억 대의 장치에 통합되어 있습니다.
이 회사의 솔루션은 전 세계 주요 전자 브랜드에 널리 사용되고 있습니다.
출처: CEVA
CEVA와 CERN 간 협업의 주요 적용 분야는 “Edge AI”이며, 이는 데이터 센터(클라우드) 대신 장치(에지) 가까이에서 인공지능 애플리케이션을 배치하는 것을 의미합니다.
입자 물리학 알고리즘이 AI 애플리케이션에 재사용되는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 예를 들어, 신경망은 히그스 보손 입자를 찾는 데 사용되었습니다. 입자 가속기 데이터는 방대한 양 때문에 현장에서 바로 처리해야 하며, 클라우드에서 처리하기엔 비현실적입니다.
CEVA는 CERN이 새로운 압축 알고리즘을 개발하도록 도왔으며, 이는 향후 실험에 활용될 것이며 CEVA 제품에 통합될 예정입니다.
“CERN과의 협업 덕분에 우리는 네트워크가 기존 16‑bit 모델 대비 최대 15배 빠르게 실행될 수 있는 혁신적인 접근 방식을 개발했습니다.
이는 네트워크 속도를 향상시키고 에너지 소비를 최대 90% 절감하면서도 유사한 정확도를 유지합니다.
이는 CEVA의 기술적 진보 중 하나에 불과하며, 이 회사는 무선 연결성, 센서(시각, 음성, 움직임) 및 신경망 알고리즘 분야에서도 활발히 활동하고 있습니다.
출처: CEVA
CEVA는 5G 연결성(위성 5G 포함)과 IoT(사물인터넷)와 결합된 임베디드 AI 솔루션의 결합 추세에서 큰 혜택을 받고 있습니다. 이는 산업용 및 가정용 솔루션 모두에 적용됩니다. 또한 CEVA는 Wi‑Fi 6 솔루션의 선두주자이며, Wi‑Fi 7에서도 선도적인 위치를 차지하고 있습니다.
출처: Ruije
소프트웨어·IP 기업인 CEVA는 잘 알려져 있지만, IoT와 5G 분야에 관심 있는 투자자들에게는 종종 간과됩니다.
CEVA는 인류가 수행한 가장 복잡한 데이터 분석 중 일부를 돕기 위해 CERN이 선택한 바와 같이, 데이터 처리와 Edge AI 분야에서 기술 진보의 최전선에 서 있는 흥미로운 기업이 될 수 있습니다.
