쌍극자 자석
쌍극자 자석은 입자를 원형 궤도에 붙잡아 둬요: 로렌츠 힘이 입자를 휘게 하고, p ≈ 0.3 · B · r이 성립해요. 에너지가 높으면 더 강한 자기장이나 더 큰 링이 필요해요. LHC에는 길이 약 15 m의 초전도 쌍극자 자석 1,232개가 있어서, 1.9 K에서 8.3 T를 만들어 7 TeV 양성자를 둘레 27 km 궤도에 붙잡아 둬요.
“자기장” 업그레이드가 쌍극자 자석을 강화하고 구리 코일을 감아요. 빔 레벨 10마다 링 전체가 새 시대를 맞아요.
RF 공동
고주파(RF) 공동 안에서는 전기장이 다발의 박자에 맞춰 진동해요: 한 바퀴 돌 때마다 다발을 조금씩 가속하고 다발 형태로 묶어 둬요. LHC에는 빔마다 400 MHz 초전도 공동이 여덟 개 있고, 각각 약 2 MV, 빔당 합계 16 MV예요.
빔 에너지 6레벨마다 RF 모듈이 하나씩 추가돼요(최대 10개).
집속 사중극자 자석
사중극자 자석은 렌즈처럼 작동해요: 한 평면에서는 빔을 모으고 다른 평면에서는 퍼뜨려요 – 번갈아 배치하면 전체적으로 빔이 모여요. 검출기 앞의 삼중항(triplet)이 빔을 약 17 µm까지 조여요. 단면이 작을수록 충돌이 많아져요.
“빔 집속” 2레벨마다 검출기 양쪽에 삼중항이 하나씩 추가돼요(최대 6개). 집속은 적중 창도 넓혀 줘요.
극저온 탱크
초전도 자석은 임계 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라져요. LHC는 액체 헬륨 약 100톤으로 자석을 1.9 K까지 냉각해요 – 텅 빈 우주(2.7 K)보다 차갑고, 세계 최대의 극저온 설비예요.
“크라이오스탯” 레벨마다 탱크가 하나씩 추가되고(최대 10개) 오프라인 가동 시간이 늘어나요.
헬륨 배관
액체 헬륨은 자석을 따라 놓인 배관 속을 순환해요. 2.17 K 아래에서 헬륨은 초유체가 돼요: 열을 매우 잘 전달하고 점성이 사실상 없어요 – 자석 냉각제로 딱이에요.
배관은 “크라이오스탯” 업그레이드 레벨 2부터 나타나요.
빔과 다발
양성자는 고른 흐름이 아니라 다발로 움직여요. LHC는 빔마다 최대 2,808개의 다발을 담고, 다발마다 양성자가 약 10¹¹개, 간격은 25 ns예요. 두 빔은 분리된 파이프에서 반대 방향으로 돌고 검출기에서만 교차해요 – 교차할 때마다 수십 건의 충돌이 일어나요.
교차 박자에 맞춰 발사해요(적중 창). “광도” 업그레이드는 초당 충돌 수를 늘리고 자동화를 해제해요.
싱크로트론 복사
원형 궤도를 도는 대전 입자는 접선 방향으로 빛을 내요. 복사 출력은 E⁴ / (m⁴ · r²)에 비례해 커져요: 같은 에너지라면 전자는 양성자보다 약 10¹³배 더 많이 잃어요. 그래서 LHC는 양성자를 쓰고, 전자 링 LEP(104.5 GeV)에서는 복사가 한계였어요.
빛의 부채꼴은 빔 레벨과 함께 커져요: 에너지가 높을수록 빛이 더 밝아지고 파장은 더 짧아져요.