[뉴스스페이스=윤슬 기자] 미국 브룩헤이븐(Brookhaven) 국립 연구소의 1000톤 규모 대형 입자 검출기 sPHENIX가 최근 진행된 ‘표준 촉광(standard candle)’ 시험을 성공적으로 통과하며, 빅뱅 직후 극한 환경에서 존재했던 쿼크-글루온 플라즈마(QGP) 연구의 새로운 장을 열었다.

MIT News, Gizmodo, Sciencesprings, scienmag, ATLAS등에 따르면, 이는 검출기의 정밀성과 속도를 입증하는 중요한 이정표로, 초기 우주의 신비로운 원시 물질을 해독할 수 있는 능력을 갖추었음을 과학계에 알렸다.

이번 3주간의 시험에서는 브룩헤이븐의 고에너지 핵 물리 연구시설인 RHIC(상대론적 중이온 충돌기)에서 거의 광속에 가까운 속도로 가속된 금 이온을 충돌시키는 과정에서 발생하는 하전 입자의 수와 에너지를 측정했다.

sPHENIX는 특히 충돌의 ‘정면 충돌(head-on collision)’ 여부에 민감하게 반응할 수 있었으며, 그 결과 정면 충돌에서는 스쳐 지나가는 충돌보다 10배 많은 하전 입자가 10배 더 높은 에너지로 방출되는 현상을 정확히 포착했다. 이는 검출기가 설계대로 극한 환경에서도 입자 데이터를 정확히 분리·측정할 수 있음을 의미한다.

sPHENIX는 2021년 기존 PHENIX 검출기를 대체하여 가동을 시작했으며, 두 층 높이에 1000톤에 이르는 거대한 3차원 카메라 역할을 수행한다. 초당 1만5000회의 충돌 사건을 추적할 수 있으며, MIT 연구진이 설계에 참여한 MVTX 마이크로 버텍스 서브디텍터 등 최첨단 검출기술이 집약됐다.

MIT 박사후연구원 캐머런 딘은 “25년 전 RHIC 가동 이래 발전한 검출기 기술을 최대한 활용해 데이터 수집 속도를 극대화했으며, 덕분에 기존에는 불가능했던 희귀 입자 현상 연구가 가능해졌다”고 설명했다.

이 검출기의 궁극적 과제는 빅뱅 직후 약 10-22초간 존재했던 쿼크-글루온 플라즈마의 특성을 재구성하는 것이다. 이 초고온(수조 도 이상) 원시 유체 상태는 일반적인 양성자와 중성자가 형성되기 전, 우주 초기 극한 환경을 재현한 것으로, 검출기는 이 플라즈마가 붕괴하며 방출하는 ‘재’ 격인 입자들을 포착해 아원자 법의학적 분석을 수행한다.

MIT 물리학과 군터 롤란드 교수는 “새로운 망원경이 첫 사진을 찍은 것과 같은 의미로, 이 검출기는 완전히 새로운 과학 탐사를 시작할 준비가 됐다”고 강조했다.

현재 RHIC은 25번째이자 마지막 실험 주기에 있으며, 이후 일렉트론-이온 콜라이더(Electron-Ion Collider)로 전환될 예정이다. 2025년 6월 시작된 금-금 충돌 실험에서 물리학자들은 100억건 이상의 고품질 충돌 데이터를 수집하는 것을 목표로 하고 있다.

이번 가동 기간 동안 sPHENIX와 기존 STAR 등 예전 검출기들의 협력으로 QGP의 밀도, 입자의 초고밀도 물질 내 확산 양상, 입자 결합에 필요한 에너지 등 미지의 영역을 탐구할 예정이다.

한편 최근 RHIC과 유럽 LHC 등 세계 각지에서 진행 중인 입자충돌 실험들은 QGP가 완전 유체(perfect fluid)처럼 흐르는 특성뿐 아니라 입자가 플라즈마 내에서 분산되는 ‘측면 튀김(sideways splash)’ 현상도 관측해, 초기 우주의 에너지 분포와 물질 거동에 대해 새로운 통찰을 제공하고 있다.

sPHENIX를 통한 정밀한 재구성 연구가 향후 이 분야 혁신에 중추적 역할을 할 것으로 기대된다.

이번 연구는 미국 에너지부 DOE와 국립과학재단 NSF의 지원을 받아 진행되고 있으며, sPHENIX는 앞으로 몇 달간 RHIC에서 지속적으로 데이터를 수집할 예정이다. 이로써 우주 탄생 초기 가장 짧은 순간에 존재했던 극한 물질의 본질에 한걸음 더 다가설 전망이다.