진공 기술

2020년 4월에 시카고 대학교(University of Chicago) 천체물리학자들은 현저한 질량 차이가 있는 2개의 블랙홀 간 충돌이라는 진귀한 현상을 목격했습니다. 이 현상이 천체물리학 및 중력 물리학에 미치는 영향. 간단히 말해 이 현상은 블랙홀이 어떻게 회전하는지를 알려주었으며, 아인슈타인의 상대성이론에서 예측되었지만 관찰되었던 적이 없는 중력파의 존재에 실험적 증거를 제공하였습니다.

블랙홀 발견을 가능하게 하다

어떻게 가능했을까요? 이 기본 실험의 과학 이면에는 가장 까다로운 진공 조건에서도 작동하는 복잡한 기계가 필요했습니다. 진공 기술은 모든 고에너지 물리학, 입자 가속, 표면 과학의 가장 전방에서 사용되는 기술입니다. 진공은 ‘압력이 주변 대기압보다 낮은 공간’으로 설명할 수 있습니다. 진공 과학은 수천 년 동안 많은 위대한 과학자들의 생각을 자극해 온 개념이었습니다.

진공 과학의 기원은 아리스토텔레스가 ‘자연은 진공 상태를 싫어한다’고 말했던 4세기까지 거슬러 올라갈 수 있습니다. 초고진공(UHV)이라고 불리는 지상 최고 수준의 진공은 “이온 펌프”라는 장치를 사용해 만들 수 있습니다. 이온 펌프의 모든 주요 혁신은 1957년에 Varian Vacuum(현재 Agilent Vaccum)이 발명한 Sputter 이온 펌프와 UHV 시대를 연 ConFlat Flange(CFF)에서부터 시작되었습니다. 오늘날 진공 솔루션은 학계 및 정부 실험실, 전 세계의 대형 물리학 프로젝트에서 핵심적인 역할을 하고 있습니다.

중력파

중력파는 우주 내의 보이지 않는 파문입니다. 중력파는 빛의 속도(초당 186,000마일)로 이동하며, 지나가는 경로상의 모든 것을 누르고 늘립니다. 아인슈타인은 상대성이론에서 행성 또는 별과 같은 2개의 물체가 서로의 궤도를 돌 때 특이한 현상이 일어난다고 예측했습니다. 그는 이러한 움직임이 우주 공간에서 파문을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 이것이 연못의 파문과 같이 퍼져나갈 수 있다는 이론을 주장했습니다. 과학자들은 이 파문을 우주 중력파라고 부릅니다.

가장 강력한 중력파는 물체가 초고속으로 움질일 때 생성됩니다. 중력파가 생성될 수 있는 현상의 사례에는 2개의 큰 별이 서로의 궤도를 돌 때, 2개의 블랙홀이 서로의 궤도를 돌고 병합될 때, 별이 비대칭적 폭발(초신성)할 경우 등이 포함됩니다.

과학자들은 2015년에 처음으로 중력파를 감지했습니다. 과학자들은 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory(LIGO)라고 불리는 매우 민감한 기계를 사용하여 중력파를 감지할 수 있었습니다. 과학자들은 비록 2015년까지 감지되지 않았지만 13억 년 전에 충돌이 발생했다는 사실을 발견했습니다.

LIGO - 진공 연결

LIGO는 중력파를 직접 감지함으로써 중력파 천체물리학의 장을 열기 위해 설계되었습니다. 이 장비는 레이저 간섭계로 격변 중인 우주 파동원에서 생성되어 지나가는 중력파가 생성하는 시공간 내 분 파문을 측정하는 수 km 규모의 중력파 검출기를 갖추고 있습니다. 중력파의 근원은 중성자별 또는 블랙홀 여러 쌍의 병합일 수 있습니다. LIGO는 미국 내에서 멀리 떨어져 있는 2개의 간섭계로 구성됩니다. 하나는 워싱턴주 핸포드에, 다른 하나는 루이지애나주의 리빙스턴에 위치하고 있습니다. 이 수 km의 검출기에서 매우 깨끗하고 안정적인 고진공을 생성하는 것이 전체 시스템 작동의 핵심이며, 가장 어려운 기술적 부분 중 하나입니다. 또한 이 검출기는 가동 시간, 신뢰성, 무진동 작동 등과 같은 중요 요건을 갖추어야 합니다.

애질런트는 이와 같은 엄격한 기준을 충족시키는 맞춤형 이온 펌프를 설계하여, 이 실험의 성공에 필요한 이상적인 진공 조건을 제공할 수 있도록 하였습니다.

자세히 살펴보기

칠레의 Cerro Pachón 산 정상에는 천문학계에서 가장 큰 디지털 카메라인 Large Synoptic Survey Telescope(LSST)가 자리 잡고 있습니다. 이 카메라에는 8m의 시야가 넓은 지상 망원경, 3.2기가픽셀 카메라, 자동화된 데이터 처리 시스템 등이 갖춰져 있습니다. LSST 프로젝트의 목표는 간단합니다. 하늘의 가시적인 부분의 전체 이미지를 매일 밤 포착할 수 있도록 해 하늘의 광대한 영역에 대해 심도 있는 조사를 하고, 이러한 과정을 10년간 지속해 과거에 축적된 카탈로그의 수천 배에 이르는 사상 최대 규모의 카탈로그를 만드는 것입니다.

LSST는 현재 2022년 10월에 완전 작동 시작을 목표로 공사 중에 있습니다. 개발자들은 이 절차의 마지막 단계에서 망원경이 지구의 인구보다 더 많은 수의 은하계 카탈로그를 확보할 수 있을 것으로 예측합니다. 이것이 생성할 광대한 규모의 데이터는 우주의 95%를 차지하는 암흑 에너지와 암흑 물질은 물론, 은하 형성과 잠재적으로 위험한 소행성에 대한 우리의 지식을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 예상됩니다.

LSST - 진공 연결

진공은 LSST 카메라의 크라이오스탯 섹션을 비우는 데 필요합니다. 이 부분은 카메라의 ‘심장부’로서, 초점판이 위치한 곳입니다. LSST 팀은 진공 기술로 많은 일반 대기 가스를 최대한 제거하여 카메라의 심장부를 보호하는 동시에, 매우 까다로운 환경 및 작동 조건에서 압력을 조절할 수 있습니다. LSST 내부에는 애질런트 스크롤 펌프, 이온 펌프, 터보 펌프가 있으며, 이 모든 펌프는 LSST의 새로운 은하 사진 촬영 및 카탈로그 작업을 돕습니다. 프로젝트 팀이 애질런트 이온 펌프를 선택한 이유 중 하나는 애질런트 이온 펌프에 움직이는 부분이 없기 때문입니다. 이는 펌프가 작동하는 동안 진동이 일어나지 않는다는 뜻이며, LSST 카메라의 작동을 방해하는 진동을 방지하여 고품질의 데이터를 얻을 수 있다는 의미입니다.

애질런트의 이온 펌프 수명 역시 연구자들에게 인정을 받았습니다. 일반적으로 높은 압력에서 사용되는 이온 펌프는 수명이 단축되지만, 애질런트의 펌프는 LSST 프로젝트가 진행되는 10년간 계속 작동할 것으로 예상됩니다.

진공 기술을 이용하는 데에는 또 다른 목적도 있습니다. 극한 환경 조건에서의 안정된 작동을 위해서는 드라이 스크롤 펌프와 터보 분자 펌프가 필요합니다. 칠레의 산 꼭대기 기온 범위는 -10~10℃입니다. 낮은 온도 범위에서는 베어링 윤활유와 전자 장치 기능이 제대로 발휘되지 않을 수 있으며, 원격 위치에서 장기간 가동 중단 시간이 발생할 경우, LSST 프로젝트를 위태롭게 할 수 있습니다.

신의 입자

종종 “신의 입자”로 불리는 힉스 입자는 입자 물리학 표준 모델의 기본 입자입니다. 표준 모델은 게이지 불변성 및 대칭성으로 불리는 우리 우주의 속성에서 일어나는 자연의 기본적 힘을 증명합니다. 힘은 게이지 보손이라 불리는 입자를 통해 전달됩니다. 힉스 입자는 입자 물리학 이론의 장 중 하나인 힉스 장의 양자 자극으로 인해 생성됩니다. 이 입자의 이름은 1964년 5명의 다른 과학자들과 함께 왜 일부 입자가 질량을 가지는지를 설명한 물리학자 피터 힉스의 이름을 따 명명되었습니다. 힉스 입자는 스위스 CERN*의 Large Hadron Collider(LHC)에서 ATLAS와 CMS 실험을 통해 2012년에 과학적으로 그 존재가 증명되었으며, 그 결과 힉스와 잉글러트(Englert)는 2013년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

신의 입자 - 진공 연결

현재 애질런트 테크놀로지의 가족이 된 Varian Vacuum은 1967년부터 유럽입자물리연구소인 CERN과 협력 관계를 맺어왔습니다. 세계적인 핵 연구 기관들과 애질런트의 협력은 이탈리아 토리노의 공장을 열면서 시작되었습니다. 토리노 공장의 목표는 실험용 초고진공(UHV)을 생성하는 이온 펌프를 설계하고 생산하는 것이었습니다. 그때부터 애질런트의 펌프는 2012년 힉스 입자 발견 실험을 포함, CERN의 가장 어려운 입자 물리학 실험에 사용되어왔습니다. 2020년 9월에 애질런트는 향후 4년간 CERN을 위한 이온 펌프와 콘트롤러를 생산하기로 계약을 맺었습니다. 이 계약은 가장 최근에 맺어진 오랜 파트너와의 중요 계약이며, 현재 파트너와의 관계가 얼마나 두터운지, 향후 얼마나 훌륭한 과학적 성과를 맺을 수 있을 것인지를 보여주는 사례입니다.

시간과 공간을 포착하기 위한 지속적인 노력

지속적으로 과학이 발전함에 따라, 진공 기술은 시간과 공간의 비밀을 푸는 이 놀라운 기기 및 시스템 내에서 중요한 역할을 하게 될 것입니다. 17세기에 시작한 진공 과학은 미래의 많은 발견과 발전에서 핵심이 될 것입니다.