ORNL 물리학자 라조이, 전자-이온 충돌기용 ePIC 검출기 개발 이끈다

EIC와 ePIC: 강한 핵력 연구의 새 지평

전자-이온 충돌기(EIC)는 미국의 장기 핵물리학 연구 계획에서 최우선 건설 과제로 선정된 대형 가속기 시설로, 브루크헤이븐국립연구소(BNL)에 들어설 예정이다. 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크와 글루온이 어떻게 강한 핵력(strong force)을 통해 원자핵을 형성하는지 규명하는 것이 핵심 연구 목표다. ePIC은 EIC에 최초로 설치될 검출기 시스템으로, 26개국 183개 기관 소속 수백 명의 과학자·엔지니어가 참여하는 국제 협력 체계 아래 개발되고 있다. ORNL 상대론적 핵물리 그룹을 이끄는 라조이는 이 협력단의 대변인을 맡고 있으며, 미국물리학회(APS) 펠로이기도 하다.

ePIC 검출기의 구조와 AI 기반 데이터 처리

ePIC은 하전입자의 비행 경로를 추적하는 트래커 3종, 입자 에너지를 측정하는 열량계(calorimeter) 7종, 입자 종류를 판별하는 식별 검출기 4종을 결합한 복합 시스템이다. 설계상 가장 두드러진 특징은 기존 검출기의 트리거 방식을 버리고 충돌로부터 발생하는 모든 정보를 연속적으로 수집하는 스트리밍 방식을 채택했다는 점이다. 이 방식은 사전 정의된 신호 조건에 해당하지 않아 폐기될 수 있었던 물리 이벤트를 보존하는 이점이 있지만, 처리해야 할 데이터 규모를 비약적으로 늘린다. 이를 감당하기 위해 엣지 AI와 머신러닝이 데이터 분석 최전단에서 유의미한 신호를 실시간으로 선별하는 역할을 맡는다.

입자물리 기술의 예상치 않은 파급 효과

입자물리 연구용으로 개발된 검출기 기술이 전혀 다른 분야로 확산되는 사례는 ORNL 내에서도 반복적으로 확인된다. CERN이 콜라이더 과학용으로 설계한 Timepix4 검출기는 현재 ORNL 나노위상소재과학센터(CNMS)의 현미경에 통합되어 소재 분석에 활용되고 있으며, 과거에는 유사한 기술 전이가 방사선 모니터링 등 국가 안보 분야에서도 이루어졌다. 라조이는 이러한 기술 확산이 우연이기도 하지만 검출기 과학의 구조적 특성이라고 본다. 또한 검출기 개발 과정에서 배출된 인력이 학계 외 분야에 진출해 습득한 문제 해결 역량을 사회에 환원한다는 점에서, 기초과학 투자가 인재 양성 차원에서도 광범위한 파급력을 지닌다고 강조한다.

RHIC 경험과 EIC의 장기적 전망

라조이는 2023년 아이오와주립대학교에서 ORNL로 이직하기 전까지 26년 이상 RHIC에서 연구하며 PHENIX 검출기 개발에 기여하고, 후속 장비인 sPHENIX의 강입자 열량계 건설을 주도했다. 이 경험을 토대로 그는 EIC의 장기적 영향력을 19세기 말 맥스웰의 전자기 통일 이론에 빗댄다. 당시의 기초 이해가 이후 전기·컴퓨터·초전도체 등 20세기 핵심 기술로 이어졌듯, EIC에서 얻게 될 강한 핵력에 대한 새로운 이해 역시 수십 년에 걸쳐 예측 불가한 파급력을 발휘할 수 있다는 논리다. 다만 현 단계에서 구체적인 기술 응용을 특정하기는 어려우며, 이는 기초과학 투자의 정당성을 장기적 관점에서 제시하는 논거에 해당한다.