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CERN은 진공 과학, 기술 및 엔지니어링 분야의 독특한 우수 센터의 본거지입니다. Paolo Chiggiato와 Luigi Scibile은 차세대 중력파 망원경을 개발하기 위한 국제적 노력의 일환으로 이러한 집단적 전문 지식이 어떻게 활용되고 있는지 설명합니다.

2015년에 중력파가 처음으로 발견된 것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 그의 예측이 확증되었으며 현대 물리학에서 가장 중요한 이정표 중 하나를 나타냅니다. 그뿐만 아니라, 시공간 구조의 중력 파동을 직접 관찰함으로써 천문학자들은 블랙홀 충돌, 초신성, 중성자별의 병합과 같은 격변적인 사건을 연구할 수 있는 우주에 대한 새로운 창을 열었습니다. 새로운 우주론 데이터 세트가 시간이 지남에 따라 물리학 및 천체 물리학의 근본적인 문제(예: 초기 우주의 물질 분포, 암흑 물질 및 암흑 에너지 탐색)를 해결하기 위한 고유한 통찰력을 제공할 것이라는 희망이 있습니다.

대조적으로, 중력파 망원경을 위한 빔파이프 2023이라는 완전히 보다 현실적인 의제가 3월 말 CERN에서 열린 3일간의 워크숍의 배경을 제공했습니다. 현재 및 미래의 중력파 관측소를 위한 기술 구현, 특히 초고진공(UHV) 빔파이프 요구 사항에 초점을 맞춘 이 워크숍에는 업계 전문가와 함께 입자 가속기 및 중력파 커뮤니티에서 선발된 85명의 전문가로 구성된 다양한 분야의 청중이 모였습니다. 철강 생산, 파이프 제조 및 진공 기술을 포괄합니다(CERN Courier 2023년 7월/8월 p18).

위치가 전부라면 제네바는 이와 관련하여 모든 조건을 충족합니다. 125km가 넘는 빔파이프와 액체 헬륨 이송 라인을 갖춘 CERN은 세계 최대 진공 시스템 중 하나이자 입자 가속기 측면에서 확실히 가장 길고 정교한 시스템을 갖춘 곳입니다. CERN의 기술 및 엔지니어링 부서는 진공 과학, 재료 가공, 고급 제조 및 표면 처리에 대한 전문 지식을 중력파 커뮤니티의 동료들과 적극적으로 공유하면서 개방성, 격려 및 협력을 통해 형성된 일련의 워크샵 결과를 보장했습니다.

그러나 모든 지식 공유를 맥락에 맞게 적용하려면 중력파 측정의 기본을 다시 살펴보는 것이 필요합니다. 중력파를 탐지하는 주요 방법은 각각 수 킬로미터 길이에 L자 모양으로 배열된 두 개의 수직 팔로 구성된 레이저 간섭계를 사용하는 것입니다. L의 교차점에서 두 가지 가지의 레이저 빔이 상호 작용하여 결과적인 간섭 신호가 광검출기에 의해 포착됩니다. 중력파가 지구를 통과할 때 간섭계 팔에 차등 길이 변화가 발생합니다. 즉, 두 팔을 통과하는 레이저 빔의 경로 길이가 서로 다르기 때문에 위상 변화가 발생하고 이에 따라 간섭 패턴이 변경됩니다.

아인슈타인 망원경의 빔파이프 설계 연구의 기준은 처녀자리 중력파 실험입니다. 오스테나이트계 스테인리스강(AISI 304L)으로 제작된 후자의 빔파이프는 보강재 링으로 강화되고 확장 벨로우즈(충격 및 진동 흡수용)가 장착된 4mm 두께의 벽으로 구성됩니다.

강철은 여전히 ​​Einstein 망원경 빔파이프의 재료로 선택되지만 AISI 304L 이상의 다른 등급도 고려 중입니다. 예를 들어, 페라이트강은 니켈을 함유한 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 단위 질량당 비용을 크게 절감하는 데 기여할 수 있습니다. 페라이트는 또한 체심 입방체 결정학 구조를 가지고 있어 면심 입방체 오스테나이트에 비해 잔류 수소 수준이 더 낮습니다. 이는 UHV로 펌핑할 때 고가의 고체 탈기 처리가 필요하지 않은 특징입니다.

현재 테이블에 있는 옵션에는 부식 처리를 거친 후 가스 파이프라인에 사용되는 "연강"으로 알려진 가장 저렴한 페라이트강과 중량 기준으로 12% 이상의 크롬을 함유한 페라이트계 스테인리스강이 포함됩니다. 후자의 초기 결과는 실질적인 가능성을 보여 주지만 용접 조인트의 소성 변형은 아직 공개된 주제로 남아 있으며, 전자기 신호의 변칙적 전송 및 유도된 기계적 진동을 방지하기 위해 이러한 재료의 자기 특성도 고려해야 합니다.