입자 가속기는 물리학 연구의 중요한 실험장비로서 각광을 받았습니다. 이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 입자 가속기 연구에 대해 전합니다.
개요
2008년 가동을 시작한 대형 강입자 충돌기(LHC)는 물리학에 대한 우리의 이해를 혁신적으로 변화시켰으며, 연구자들이 우주의 기본 구성 요소를 조사할 수 있게 했습니다. 프랑스와 스위스 국경 아래 약 100미터 깊이에 위치한 LHC는 27킬로미터에 달하는 둘레를 따라 입자들을 가속시켜 거의 빛의 속도에 이르게 한 후 충돌시킵니다.
LHC는 종종 지금까지 만들어진 가장 큰 기계로 묘사됩니다. 이 시설에서 실험을 수행하는 물리학자들이 대부분의 주목을 받지만, LHC를 운영하기 위해 수백 명의 엔지니어와 기술자들이 필요합니다. 그 중 한 명이 바로 유럽 입자 물리 연구소(CERN)에서 디지털 전자기기 분야에 종사하는 엔지니어인 이레네 덱글이노센티(Irene Degl’Innocenti)입니다. 덱글이노센티는 CERN의 빔 계측 그룹의 일원으로서, 입자 빔의 위치를 측정하는 맞춤형 전자기기를 제작합니다.
덱글이노센티는 LHC가 매우 도전적인 작업을 수행하는 거대한 기계이기 때문에 필요한 전문 지식의 범위가 방대하다고 설명합니다. 그녀가 작업하는 전자기기는 전체 운영의 아주 작은 부분을 차지하지만, 덱글이노센티는 자신의 장비를 설치하거나 테스트하기 위해 LHC의 거대한 터널로 내려갈 때 이를 절실히 실감합니다. 그러나 그녀는 이처럼 중요한 프로젝트에 참여하는 것에서 큰 만족감을 느낍니다.
덱글이노센티는 자신이 아주 큰 프로젝트의 일부분이라는 사실에 대해 깊은 감명을 받았다고 말합니다. 그녀는 “우주에서 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하려고 노력하는 이 큰 공동체의 일원이 된다는 것은 매우 매혹적입니다”라고 덧붙였습니다.
고에너지 물리학 분야에서의 일자리 기회
이탈리아에서 성장한 델리노첸티 씨는 소설가가 되고 싶어 했습니다. 고등학교 시절 인문학에 더 관심이 있었지만, 과학 교사인 어머니 덕분에 수학에 대한 자연스러운 친화력이 있었습니다.
델리노첸티 씨는 자신이 매우 분석적인 사람이라고 말하며, 이는 항상 그녀의 사고방식의 일부였지만 어릴 때는 수학이 매력적으로 다가오지 않았다고 언급했습니다. 수학이 열어줄 수 있는 기회를 깨닫는 데는 시간이 걸렸다고 했습니다.
델리노첸티 씨는 17세 무렵 전자공학에 관심을 가지기 시작했는데, 이는 논리적이고 수학적인 사고방식을 직업으로 전환할 수 있는 가장 직접적인 방법처럼 보였기 때문입니다. 2011년 그녀는 이탈리아의 피사 대학교에 입학하여 2014년 전기공학 학사 학위를 취득하고, 같은 과목으로 석사 학위를 취득하기 위해 계속해서 공부했습니다.
당시 델리노첸티 씨는 엔지니어들이 고에너지 물리학 분야에서 일할 수 있는 기회가 있다는 것을 전혀 알지 못했습니다. 그러나 그녀는 한 동료 학생이 일리노이주 바타비아에 있는 페르미랩, 입자 물리학 및 가속기 연구소에서 여름 인턴십을 했다는 것을 알게 되었습니다. 그래서 그녀도 2015년에 그곳에 인턴십을 신청하여 합격했습니다. 페르미랩과 CERN은 긴밀히 협력하고 있어, 델리노첸티 씨는 LHC의 컴팩트 뮤온 솔레노이드 실험을 위한 데이터 처리 보드를 설계하는 일을 도울 수 있었습니다.
그 후, 델리노첸티 씨는 집과 가까운 곳에서 인턴십을 찾기 시작했고, 1년 동안 프로젝트에 참여할 수 있는 CERN의 기술 학생 프로그램을 발견했습니다. 빔 계측 그룹에서 일하면서 그녀는 디지털 수집 시스템을 설계했으며, 이는 그녀의 석사 논문의 기초가 되었습니다.
입자 빔의 위치 측정
2017년 석사 학위를 받은 후, 델리노첸티 씨는 피사 대학교에서 박사 학위 과정을 시작했습니다. 그녀는 CERN의 빔 위치 측정 부서에서 연구를 수행했는데, 이 부서는 CERN의 가속기 복합체 내에서 입자 빔의 위치를 측정하는 장비를 제작합니다. LHC에는 가속기 링 주변에 약 1,000개의 모니터가 배치되어 있습니다. 각 모니터는 일반적으로 가속기 파이프의 반대쪽에 위치한 두 쌍의 센서로 구성되어 있으며, 각 센서의 신호 강도를 비교하여 빔의 수평 및 수직 위치를 측정할 수 있습니다.
기본 개념은 간단하지만, 델리노첸티 씨는 이러한 측정이 매우 정밀해야 한다고 언급했습니다. 입자 다발은 매 25나노초마다 모니터를 통과하며, 그 위치는 50마이크로미터 이내에서 추적되어야 합니다.
대부분의 신호 처리는 일반적으로 아날로그로 수행되지만, 델리노첸티 씨는 박사 과정 동안 가능한 한 많은 작업을 디지털 영역으로 전환하는 데 집중했습니다. 아날로그 회로는 예민하고 정확한 보정이 필요하며, 시간이 지남에 따라 또는 온도가 변할 때 정확도가 변하기 때문이라고 그녀는 말합니다.
유지 관리가 복잡하다고 델리노첸티 씨는 설명했습니다. 1,000개의 모니터가 100미터 지하의 가속기에 위치할 때 특히 까다로워집니다.
아날로그가 디지털로 변환될 때 정보가 손실되지만, 델리노첸티 씨는 최신 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 성능을 분석하고 위치 측정에 미치는 영향을 조사했습니다.
빔 모니터 전자 장치 설계
2021년에 전기, 전자 및 통신 공학 박사 학위를 마친 델리노첸티 씨는 CERN에 선임 박사 후 연구원으로 합류했습니다. 2년 후 그녀는 정직원이 되어 자신의 연구 결과를 활용하여 새로운 하드웨어를 개발하고 있습니다. 현재 그녀는 2028년에 완료될 예정인 LHC의 고광도 업그레이드를 위한 새로운 빔 위치 모니터를 설계하고 있습니다. 이 새로운 시스템은 여러 ADC와 델리노첸티 씨가 새로운 디지털 신호 처리 알고리즘을 실행하도록 프로그래밍할 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)를 포함하는 시스템 온 칩을 사용할 가능성이 높습니다.
그녀는 CERN의 빔 위치 모니터의 설계, 구현 및 지속적인 유지 관리를 담당하는 15명으로 구성된 팀의 일원입니다. 그래서 그녀는 해당 기기의 센서와 소프트웨어를 설계하는 엔지니어 및 가속기를 운영하고 기기의 요구 사항을 설정하는 물리학자들과 긴밀히 협력하고 있습니다.
델리노첸티 씨는 시스템 개발을 몇 년 전부터 시작해야 하며, 그 후 수십 년 동안 작동해야 한다고 말했습니다.
고에너지 물리학 분야의 기회
고에너지 물리학은 고정밀 전자 장치, 진공 시스템 및 저온 물리학을 포함하여 엔지니어들에게 다양한 흥미로운 기회를 제공한다고 델리노첸티 씨는 설명합니다.
기계는 매우 크고 복잡하지만, 우리는 매우 작은 것들을 보고 있다고 그녀는 말합니다. 큰 규모와 작은 규모의 정밀도를 모두 다룰 때 큰 숫자가 많이 관여합니다.
FPGA 설계 기술은 모든 종류의 연구 시설에서 높은 수요가 있으며, 임베디드 시스템도 점점 더 중요해지고 있다고 델리노첸티 씨는 말합니다. 그녀는 자신의 공학 지식을 적용할 곳에 대해 열린 마음을 갖는 것이 중요하다고 말합니다. 그녀는 CERN에 자신의 기술 세트를 가진 사람들에게 기회가 있을 것이라고는 전혀 생각하지 못했습니다.
항상 사용되는 기술을 확인하라고 그녀는 조언합니다. 어딘가에서 일하는 것이 불가능할 것이라고 가정하여 자신을 제한하지 말아야 합니다.
마무리
이번 포스팅에서는 델리노첸티 씨의 경험을 통해 고에너지 물리학 분야에서 엔지니어로서의 다양한 기회와 도전에 대해 살펴보았습니다. 그녀의 이야기는 공학 지식을 다양한 분야에 적용할 수 있는 가능성과 중요성을 보여줍니다. 고에너지 물리학은 복잡하고 정밀한 작업을 요구하지만, 그만큼 흥미롭고 보람 있는 기회를 제공하고 있습니다.