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우주의 탄생과 관련된 미스터리를 풀어가는 KEK

우주의 탄생과 관련된 미스터리를 풀어가는 KEK

■ 소개

우주가 어떻게 생성되었는가는 가장 큰 미스터리 중 하나입니다. 제일 널리 받아들여지는 빅뱅 이론에 의하면 현재 우리가 알고 있는 우주는 약 137억 년 전에 발생한 거대한 폭발로부터 시작되었습니다. 이 이론 연구의 선봉에는 일본의 대학 연합 연구 기관이 있습니다. 이 기관에서는 수수께끼에 대해 연구할 때 실험을 통해빅뱅 시뮬레이션을 재현해 봅니다.

이바라키 현, 츠쿠바에 위치한 고에너지 입자 가속기 연구 기관(이하 KEK)은 일본 최대의 입자 물리학 연구소이며, 우주의 기원을 밝히는 연구를 합니다. KEK의 가장 큰 프로젝트 중 하나인 SuperKEKB는 하나의 전자 스토리지 링과 하나의 양전자 스토리지 링이 있는 전자 양전자 입자 가속기를 사용합니다. 둘레 길이가 약 3km인 SuperKEKB 링은 지하 11m에 건설되었으며 입자(전자와 양전자) 광선을 충돌시킵니다. KEK에서는 FARO Laser Tracker를 사용하여 고에너지 입자 가속기의 부품을 올바르게 얼라인먼트하고 설치해 정확한 방식으로 충돌을 일으킵니다.

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열악한 조건에서도 제대로 잘 작동하는 FARO Laser Tracker Vantage
 

■ KEK의 FARO Laser Trackers 채택

KEK 연구팀은 이미 숙달된 레이저 트래커 기술을 가지고 있었지만, 기존의 장비가 오래되고 휴대성도 떨어져서 새 장치를 찾아야 했습니다. FARO Laser Tracker ION을 도입한 KEK 팀은 우수한 성능과 휴대성이 입증된 이 레이저 트래커를 구매하기로 했습니다.

최첨단 간섭계 기반 측정 시스템인 FARO ION은 측정 물체 반대편에 위치한 역반사 표적에 레이저 광선을보내 측정합니다. 장치는 표적에서 되돌아오는 광선을 추적하여 물체의 3차원 좌표 데이터를 수집합니다.

FARO ION을 사용하면 레이저 광선이 측정 중 전류를 끊더라도 오퍼레이터가 표적을 원래 위치로 되돌릴 필요가 없습니다. FARO ION의 링 입자 가속기는 둘레의 길이가 매우 광범위하므로 KEK에 매우 유용합니다. FARO ION을 긍정적으로 평가한 KEK 연구팀은 SuperKEKB 건설에 사용할 FARO Laser Tracker Vantage를 2013년에 구매했습니다. FARO Vantage는 FARO의 최첨단 레이저 트래커 모델로서 장거리 측정(최대 80m)이 가능하고, 카메라 기능이 있어 구상으로 탑재된 역반사체 표적을 신속하게 감지하며, IP52 등급 방수 및 방진 기능이 있습니다.

이 연구소의 구성원인 Mika Masuzawa 교수는 “터널 안은 대부분의 공장 바닥에 비해 먼지가 적을지도 모르지만, 연구소에서 측정이 시작되면 장비는 한 번에 두 달까지도 연속해서 사용하게 됩니다. 게다가 우리 연구소에서는 3km 터널을 따라 이동하면서 트래커도 함께 이동시키고 자석을 설치할 때 측정을 한다는 점에서 매우 독특한 방식으로 트래커를 사용합니다. FARO Vantage는 연구에 필요한 매우 정확하고 신뢰할만한 측정 결과를 제공합니다. 이외에도 FARO의 신속한 기술 지원을 통해 프로젝트의 지연을 최소화하며 제한된 기간 내에 측정을 완료할 수 있습니다. 즉, FARO Vantage는 연구소의 기대와 필요를 모두 충족시켰습니다.”라고 설명했습니다.
 

■ 탁월한 전자석 얼라인먼트 정확도

KEK 작업 현장에서 정확도는 필수 요소입니다. KEK는 전반적으로 링 입자 가속기 터널 안에 2,000개 이상의 자석을 설치해야 했습니다. 각 전자석은 불과 수십 나노 미터 높이의 특정 궤도를 따라 고속 전자 및 양전자 광선을 만드는 데 필요한 주요 부품입니다. 입자가 해당 공간에서 정확하게 움직이려면 자석을 정확히 얼라인먼트하고 3차원으로 측정하는 것이 매우 중요합니다.

이러한 전자석은 공학적 설계도에 따라 개별적으로 얼라인먼트됩니다. 연구팀은 FARO Laser Tracker를 사용하여 개별 자석의 3D 좌표 데이터를 수집하며 볼트를 조이거나 풀어서 위치를 조정합니다. 그리고 이러한 과정을 모든 전자석에서 되풀이합니다.

KEK에서는 자석 얼라인먼트 외에도 기계를 설치할 때 바닥을 평평하게 하는 데에도 FARO Laser Tracker를 이용합니다. 실험 결과를 정확하게 측정하기 위해 입자 탐지기(Belle II라고 불림)를 SuperKEKB 입자 가속기의 특정 위치에 배치하여 충돌 데이터를 수집하고 분석합니다. Belle II를 바닥에 수평으로 평평하게 배치하는 것은 매우 중요한 작업이기 때문에 KEK 연구팀은 이 작업을 FARO Laser Tracker에 의존합니다.

현재 KEK에는 총 여섯 대의 FARO Laser Tracker가 있습니다. 그중 네 대는 시설 내 설치 및 얼라인먼트 적용 분야를 지원하도록 배치되었고, 다른 두 대는 차세대 입자 가속기인 ‘국제 선형 충돌기’의 시험 개발에 사용되고 있습니다.

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KEK에서 전자석의 정확한 얼라인먼트를 위해서는 3D측정이 필수적임

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FARO Laser Tracker Vantage을 활용하여 부품의 얼라인먼트를 조정하는 모습

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Belle II 입자 탐지기가 충돌데이터를 측정하는 모습
이전 모델인 Belle은 KEK가 노벨상을 받을 수 있도록 기여함

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FARO Laser Tracker ION을 활용하여 설치을 위한 기계의 토대를 평평하게 작업하는 모습
 

■우주의 미스터리를 밝히기 위해

입자 물리 연구를 통해 인류가 점점 더 많은 것을 밝혀감에 따라 우주의 기원에 얽힌 진실은 이제 이해할 수 있는 범위 내에 있을지도 모릅니다. 그럼에도 불구하고 KEK에서는 꾸준한 실험을 통해 ‘입자-반입자 비대칭’이나 ‘사라진 반물질의 미스터리’와 같은 미스터리들을 풀어보고자 합니다. 이 모든 KEK의 지적 탐구에 FARO는 3D 측정 장비를 통해 자랑스럽게 이바지하고 있습니다.
 

고에너지 입자 가속기 연구 기관 (KEK) 정보

KEK는 이바라키 현, 츠쿠바에 위치합니다. 고에너지 입자 가속기 연구 기관인 KEK에서는 고에너지 입자 가속기를 사용하여 소립자의 특성을 연구하여 우주와 생물의 기원을 밝히고자 합니다.KEK는 대학 연합 및 기업 연구 기관으로서 세계 입자 가속기 기술에 대한 국제 합동 연구를 활발하게 진행하고 있을 뿐만 아니라 현지 및 해외 연구자 사이의 합동 연구를 위한 공간을 제공합니다.

1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, Japan
URL: http://www.kek.jp/intra-e/

문의

부산사무소: 051.662.3410

인천사무소: 032.590.9601

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