[뉴스에프엔 김맹근 기자] 미국 에너지부(DOE) 산하 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)에서 운영하는 세계적인 핵물리학 연구 시설인 상대론적 중이온 충돌기(RHIC, Relativistic Heavy Ion Collider)가 25년간의 연구를 마무리하는 마지막 운영 연도에 들어섰다.

외신에 따르면 2000년 첫 가동 이후 RHIC는 물질의 근본적인 속성을 탐구하는 선두주자로서, 거의 빛의 속도로 금 원자핵을 충돌시키며 빅뱅 직후의 극한 환경을 재현해왔다. 올해 연구진은 주요 연구 목표 중 하나였던 쿼크-글루온 플라즈마(QGP) 연구를 마무리하는 것을 목표로 하고 있다.

쿼크와 글루온으로 구성된 QGP는 초기 우주에서 양성자와 중성자가 형성되기 이전에 존재했던 물질 상태다. RHIC는 이러한 QGP를 생성하고 분석할 수 있는 능력을 갖춘 몇 안 되는 연구시설 중 하나로, 극한 조건에서 핵물질의 특성을 탐구하는 데 중요한 역할을 해왔다.

올해 진행되는 "런 25" 실험에서는 지난 25년간 축적된 기술과 데이터 분석 방법을 총동원하여 QGP 연구를 마무리할 예정이다. 연구진은 입자 제트와 고에너지 충돌, 새로운 검출 기술을 활용하여 사상 최상의 정밀도로 QGP를 분석하게 된다.

특히, 6월 초까지 2,000억 전자볼트(GeV) 수준의 금-금 충돌 실험이 최우선으로 진행된다. 연구팀은 실험 중반에 데이터 수집 진행 상황을 점검한 후, 추가적인 충돌 실험을 수행할 가능성을 검토할 예정이다.

RHIC의 대표적 검출 장비인 STAR는 지속적인 업그레이드를 통해 데이터 수집 능력을 향상시켜왔다. 지난 2년간 STAR는 약 80억 개의 고품질 금-금 충돌 데이터를 수집했으며, 올해는 100억 개를 추가 확보할 계획이다.

또한, 2023년부터 가동을 시작한 sPHENIX 검출기는 이번 실험에서 본격적으로 활용되며, 총 500억 건 이상의 충돌 이벤트 데이터를 수집할 예정이다. sPHENIX는 고에너지 입자의 움직임을 정밀하게 측정할 수 있도록 설계된 첫 배럴 강입자 열량계를 탑재하고 있어, QGP의 에너지 손실 메커니즘에 대한 이해를 한층 더 높일 것으로 기대된다.

특히, 바텀 쿼크와 참 쿼크 같은 무거운 쿼크 입자를 연구하는 것은 QGP의 특성을 규명하는 데 핵심적인 역할을 할 전망이다. 충돌 직후 생성된 이들 입자는 플라즈마 내부를 이동하며 매질의 밀도, 온도 및 에너지 소산 능력에 대한 귀중한 정보를 제공할 것으로 보인다.

RHIC의 마지막 운영과 함께 APEX(Accelerator Physics Experiments) 연구도 진행된다. APEX 실험은 미래의 전자-이온 충돌기(EIC, Electron-Ion Collider) 개발을 위한 기초 연구로, 가속기 성능 향상과 새로운 전자 가속기 기술 개발에 초점을 맞춘다. 연구진은 빔 안정성을 유지하고 빔 내 산란을 최소화하는 실험을 통해 향후 충돌기의 성능을 최적화할 계획이다.

이러한 연구는 다음과 같은 목표를 중심으로 진행된다.

-빔 동역학 개선: 충돌 빈도를 높이고 빔 안정성을 강화

-검출기 최적화: 데이터 수집의 효율성과 정밀도를 극대화

-에너지 손실 연구: 고에너지 입자가 QGP와 어떻게 상호작용하는지 분석

-RHIC의 유산과 핵물리학의 새로운 도전

RHIC의 마지막 실험이 진행되면서, 과학자들은 핵물리학의 새로운 시대를 준비하고 있다. 25년간 축적된 데이터와 기술은 EIC의 연구 기반으로 활용될 예정이다. 특히, RHIC에서 개발된 하드론 열량계, 고급 픽셀 센서 및 스트리밍 데이터 수집 기술은 EIC 실험에서 재사용되며, 연구의 정밀도를 더욱 향상시킬 것으로 기대된다.

RHIC에서 EIC로의 전환은 뜨거운 핵물질(QGP) 연구에서 차가운 핵물질을 조사하는 방향으로 핵물리학의 연구 흐름을 바꾸게 된다. 이를 통해 과학자들은 양성자와 중성자의 내부 구조를 이전보다 정밀하게 연구할 수 있게 되며, 물질의 본질과 강한 상호작용의 근본적인 원리에 대한 질문에 대한 답을 찾을 것으로 기대된다.

RHIC의 연구는 비록 마무리되지만, 그 유산은 향후 수십 년간 계속될 전망이다. 핵물리학자들은 RHIC에서 축적된 방대한 데이터를 분석하며, 우주의 가장 깊은 비밀을 풀어가기 위한 새로운 여정을 시작하고 있다.