Development of a Barrel Imaging Calorimeter for the Electron-Ion Collider

Shin Hyung KIM and Hyon-Suk JO

The Electron-Ion Collider (EIC), currently under construction at Brookhaven National Laboratory, is designed to explore the internal structure of nucleons and nuclei with unprecedented precision. To fully exploit the collider’s wide kinematic reach, the ePIC detector is being developed as a comprehensive experimental apparatus. Among its central components, the Barrel Imaging Calorimeter (BIC) serves as the primary electromagnetic calorimeter in the barrel region, providing precise measurements of scattered electrons, photons, and neutral mesons. BIC adopts a hybrid imaging calorimeter concept that combines a Pb/scintillating-fiber sampling calorimeter with embedded monolithic CMOS pixel sensors (AstroPix), enabling detailed three-dimensional shower reconstruction. This article introduces the accelerator–detector framework of the EIC and ePIC, and presents the design philosophy and structural features of the BIC.

들어가며

전자-이온 충돌기(Electron-Ion Collider, EIC)는 미국 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory, BNL)에 건설 중인 차세대 가속기이다. 기존 RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) 가속기를 기반으로 전자 가속기를 추가하여, 전자–양성자 및 전자–이온 충돌을 구현하도록 설계되었다. EIC는 넓은 에너지 범위와 높은 편극 빔을 활용하여 핵자 내부의 쿼크와 글루온 구조를 정밀하게 측정하고, 원자핵 환경에서 이러한 구조가 어떻게 변화하는지를 탐구하는 것을 목표로 한다.

이 가속기의 과학적 잠재력을 최대한 활용하기 위해 설계된 검출기가 ePIC (electron–Proton/Ion Collider)이다. ePIC은 전방과 후방이 비대칭인 전자–이온 충돌의 특성에 맞추어 설계된 대형 범용 검출기로, 입자 추적기, 입자 식별 장치, 전자기 및 강입자 열량계 등 다양한 세부검출기로 구성된다. 그중 중앙 배럴 영역에 위치하는 전자기 열량계인 배럴 이미징 열량계(Barrel Imaging Calorimeter, BIC)는 산란 전자와 광자를 정밀하게 측정하는 핵심 장치이다.

전자와 양성자가 충돌할 때 전자가 얼마나 많은 에너지를 잃었는지, 그리고 어떤 각도로 산란되었는지는 양성자 내부 구조를 얼마나 세밀하게 탐구했는지를 결정하는 중요한 정보가 된다. 이 과정에서 자주 사용되는 물리량이 Bjorken-x와 Q²이다. Bjorken-x는 양성자 내부에서 전자와 상호작용한 쿼크가 양성자 전체 운동량 가운데 어느 정도를 차지하고 있었는지를 나타내는 비율이며, Q²는 전자가 전달한 운동량의 크기를 의미한다. 이는 탐침의 “해상도”에 해당하는 물리량으로, Q²가 클수록 더 작은 규모의 구조를 탐구할 수 있다.

이 두 물리량은 산란 전자의 에너지와 산란각으로부터 계산되므로, 전자기 열량계의 에너지 분해능과 위치 분해능은 곧 물리 분석의 정밀도와 직결된다. 또한 전자-이온 충돌 과정에서 생성되는 광자를 약 10 GeV 영역까지 측정하고, 두 개의 광자로 붕괴하는 중성 파이온(\(\small \pi^0\))과 구별해내는 능력 역시 핵자 내부의 쿼크와 글루온 구조를 정밀하게 이해하는 데 필수적이다. 이러한 요구를 충족하기 위해 ePIC 검출기에는 하이브리드 이미징 개념을 도입한 배럴 이미징 열량계(BIC)가 설계되었다. 본 글에서는 EIC 가속기와 ePIC 검출기 체계 속에서 BIC가 수행하는 역할과 그 설계 개념, 그리고 구조적 특징을 소개한다.

충돌 사건을 기록하는 ePIC 검출기

전자–이온 충돌기(EIC)에서 발생하는 충돌 사건을 정밀하게 측정하고 기록하기 위해 설계된 범용 검출기가 ePIC이다. ePIC은 전자와 양성자(또는 이온)가 충돌하면서 생성되는 다양한 입자들의 위치, 운동량, 에너지 및 종류를 광범위하게 측정할 수 있도록 설계된 통합 검출기 시스템이다. ePIC은 그림 1과 같이 길이 약 9.5 m, 반지름 약 2.67 m의 원통형 중앙 검출기를 중심으로 구성되어 있으며, 이는 약 2층 건물 크기에 해당하는 거대한 규모의 장치이다.

Fig. 1. Schematic view of the ePIC detector at the Electron-Ion Collider. The detector includes a central barrel region with tracking detectors and calorimeters inside a 1.7 T superconducting solenoid, as well as forward and backward detector systems providing extended particle identification and calorimetry coverage.1)

중앙 검출기 시스템은 충돌점 주변을 여러 층의 검출기가 둘러싸는 구조로 이루어져 있다. 가장 안쪽에는 입자의 궤적을 측정하는 추적 검출기(tracking detector)가 위치하며, 그 바깥에는 전자, 뮤온, 파이온, 케이온 등 서로 다른 입자 종류를 구분하기 위한 다양한 입자 식별 장치(particle identification, PID)와 입자의 에너지를 측정하는 전자기 열량계(electromagnetic calorimeter)가 배치된다. 이러한 검출기들을 감싸는 형태로 약 1.7 T의 초전도 솔레노이드 자석이 설치되어 있으며, 그 바깥쪽에는 강입자가 남기는 에너지를 측정하기 위한 강입자 열량계(hadronic calorimeter)가 위치한다. 이러한 다층 구조는 입자의 운동량, 에너지, 그리고 종류를 상호 보완적으로 측정하여 충돌 사건을 정밀하게 재구성할 수 있도록 한다.

이와 더불어 ePIC 검출기는 중앙 검출기가 직접 커버하지 못하는 매우 작은 각도로 산란되는 입자를 측정하기 위해 far-forward 및 far-backward 검출기를 함께 갖춘다. 이 검출기들은 빔라인을 따라 중앙 검출기로부터 수십 미터 떨어진 위치까지 확장되어 배치되며, 핵 파편화 과정에서 생성된 중성자나 낮은 Q² 영역에서 산란된 전자 등을 검출하는 역할을 한다. 중앙 검출기는 약 \(\small |\eta| < 3.5\) (대략 3°‒177°) 범위의 넓은 각도 영역에서 생성되는 입자를 검출하며, far-forward 및 far-backward 검출기와 결합하여, EIC에서 일어나는 물리 현상을 정밀하게 연구하기 위해 요구되는 거의 완전한 이벤트 재구성을 가능하게 한다. 그림 2는 전자–이온 충돌에서 생성된 입자들이 유사신속도(\(\small \eta\))에 따라 검출기의 어느 영역에서 측정되는지를 개략적으로 보여준다.

Fig. 2. Schematic view of particle kinematics in electron–ion collisions. The scattered electron and produced hadrons populate different pseudorapidity(\(\small\eta\)) regions, corresponding to different detector subsystems such as the central detector, lepton endcap, and hadron endcap.2)

EIC 연구 프로그램은 약 20년에 걸친 국제 공동 연구 논의를 통해 발전해 왔다. 이러한 연구 활동은 전 세계 연구자들이 참여하는 Electron–Ion Collider User Group (EICUG)을 중심으로 이루어졌으며, 현재 EICUG는 40개국 이상, 300여 개 연구기관에서 1,500명 이상의 연구자가 참여하는 대형 국제 연구 커뮤니티로 성장하였다. 이와 같은 연구자 커뮤니티를 기반으로 실제 검출기 실험을 수행하기 위한 ePIC 협력단이 구성되었다.

ePIC 협력단은 전 세계 25개국 이상, 170개 이상의 연구기관이 참여하는 대형 국제 공동 연구 그룹이다. 그림 3은 현재 ePIC 협력단에 참여하고 있는 국가들의 분포를 보여준다. 북미, 유럽, 아시아를 중심으로 폭넓은 참여가 이루어지고 있으며, 이는 EIC 실험이 단일 국가의 프로젝트를 넘어 국제적 과학 협력의 장으로 자리 잡고 있음을 보여준다.

Fig. 3. Worldwide participation in the ePIC collaboration, comprising over 170 institutions from more than 25 countries.1)

한국 역시 ePIC 협력단의 일원으로 참여하고 있으며, 여러 대학과 연구기관이 다양한 검출기 개발에 기여하고 있다. 특히 중앙 배럴 영역에서 산란 전자와 광자를 정밀하게 측정하는 전자기 열량계인 BIC 검출기, 최전방 방향에서 빔 축을 따라 방출되는 중성 입자를 검출하는 ZDC (Zero Degree Calorimeter) 검출기, 수십 피코초(ps) 수준의 시간 분해능을 이용해 하전 입자를 구분하는 LGAD (Low Gain Avalanche Detector) 기반 TOF (Time-of-Flight) 검출기, 그리고 넓은 면적에서 안정적인 추적 성능을 제공하는 마이크로패턴 가스 검출기인 mRWELL 등은 한국 연구 그룹이 연구·개발에 참여하고 있는 주요 세부검출기들이다. 이러한 다양한 검출기 기술은 ePIC 전체 검출기 체계에 통합되어 EIC에서 수행될 물리 연구를 뒷받침하게 된다.

ePIC의 핵심 전자기 열량계, BIC 검출기

배럴 이미징 열량계는 ePIC 검출기의 중앙 배럴 영역에 설치된 전자기 열량계로, 전체 검출기 체계에서 핵심적인 역할을 담당한다. 전자–이온 충돌에서 생성되는 산란 전자와 광자, 그리고 중성 파이온(\(\small\pi^0\)) 붕괴에서 생성된 광자들의 에너지를 정밀하게 측정하는 것이 주요 임무이다. 배럴 영역은 충돌축에 수직한 방향으로 방출되는 입자를 포괄하는 중심 영역으로, 넓은 운동학 범위에 걸쳐 균일한 측정을 가능하게 한다.

BIC 검출기는 전통적인 샘플링 열량계(sampling calorimeter) 기술과 실리콘 픽셀 기반 이미징 기술을 결합한 하이브리드 전자기 열량계 검출기로 설계되었다. 이를 통해 입자의 에너지를 정밀하게 측정하는 동시에 전자기 샤워(electromagnetic shower)의 공간적 분포를 기록할 수 있도록 하였다. 이러한 설계는 산란 전자의 정밀 측정뿐 아니라 전자와 하전 파이온의 구분 성능을 향상시키며, 두 개의 광자로 붕괴하는 중성 파이온(\(\small\pi^0\))이 만들어내는 전자기 샤워를 분리하여 측정함으로써 중성 파이온을 정확하게 식별하는 데에도 중요한 역할을 한다.

BIC 검출기의 물리적 요구 조건

EIC에서의 물리 연구의 핵심 목표는 양성자 내부의 쿼크와 글루온 구조를 정밀하게 밝히는 것이다. 이를 위해 전자를 탐침으로 사용하여 양성자에 충돌시키고, 산란되어 나오는 전자의 에너지와 방향을 측정한다. 전자가 잃은 에너지와 산란각은 전자가 양성자 내부에 전달한 운동량(Q²)과 상호작용에 참여한 쿼크의 운동량 분율(Bjorken-x)을 결정하며, 이는 양성자 구조를 해석하는 기본 변수로 사용된다. 따라서 산란 전자를 정확히 식별하고 그 에너지를 정밀하게 측정하는 것은 EIC 물리 분석의 출발점이며, 전자기 열량계의 성능은 곧 물리 분석의 정밀도와 직결된다. 그림 4는 EIC 충돌 에너지 조건에서 BIC가 측정하게 될 Bjorken x와 Q² 영역을 개략적으로 보여준다. 서로 다른 충돌 에너지와 검출기 수용 범위에 따라 다양한 x–Q² 영역이 탐색 가능하며, BIC는 이 가운데 산란 전자가 분포하는 넓은 운동학 영역을 담당하게 된다.

Fig. 4. Kinematic coverage of the BIC for scattered electrons in the Bjorken x–Q² plane at different EIC collision energies. The shaded regions indicate the accessible phase space corresponding to the detector acceptance.

그림 5는 EIC 충돌에서 생성되는 깊은 비탄성 산란(Deep Inelastic Scattering, DIS) 전자와 깊은 가상 콤프턴 산란(Deeply Virtual Compton Scattering, DVCS) 과정에서 생성되는 광자의 에너지와 유사신속도(\(\small\eta\)) 분포를 보여준다. 중앙 배럴 영역(\(\small |\eta|≲ 1\))에는 수 GeV에서 수십 GeV에 이르는 전자와 광자가 넓게 분포하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 BIC 검출기가 저에너지부터 고에너지까지 넓은 운동학 영역을 포괄해야 함을 의미한다.

Fig. 5. Energy versus pseudorapidity(\(\small\eta\)) distributions of DIS electrons (left) and DVCS photons (right) in e+p collisions at EIC energies. The dashed lines indicate the barrel acceptance region. The broad energy coverage and central rapidity population motivate the performance requirements of the BIC.2)

특히 높은 Q² 영역의 사건에서는 전자의 에너지 측정 오차가 핵자의 파톤구조함수 추출의 불확실성으로 직접 이어진다. 따라서 BIC 검출기는 약 1 GeV 이하의 저에너지 영역부터 수십 GeV에 이르는 넓은 범위에서 전자를 안정적으로 검출해야 하며, 동시에 약 10%/\(\small\sqrt{E}\)의 확률적 항과 2‒3%의 상수 항을 갖는 에너지 분해능을 달성하도록 요구된다.

또한 전자와 하드론(특히 하전 파이온)을 구분하는 능력은 매우 중요하다. 전자–하전 파이온(\(\small e/\pi\)) 분리는 DIS 사건의 배경사건을 억제하는 데 중요한 역할을 한다. 더 나아가 중성 파이온(\(\small\pi^0\))의 붕괴로 생성되는 두 개의 광자를 분리하는 \(\small\gamma/\pi^0\) 분리 능력 역시 요구된다. 이는 핵 내부의 글루온 구조를 연구하는 DVCS 사건과 같은 물리 과정을 연구하는 데 직접적인 영향을 미친다. 이러한 요구 조건은 단순히 높은 에너지 분해능뿐만 아니라, 샤워의 공간적 분포를 세밀하게 측정할 수 있는 “이미징 능력”을 필요로 한다.

이를 위해 BIC는 그림 6과 같이 서로 다른 두 검출기 기술을 결합한 구조를 채택하였다. 대형 실험에서 성능이 검증된 납(lead)과 섬광섬유(scintillating fiber, SciFi)를 이용한 Pb/SciFi 샘플링 열량계 구조를 기본으로, 단일형(monolithic) HV-CMOS 픽셀 센서인 AstroPix를 결합한 하이브리드 형태로, 전통적인 열량계가 입자의 에너지를 정밀하게 측정하는 역할을 한다면, 픽셀 이미징 층은 전자기 샤워의 공간적 발달을 세밀하게 기록한다. 이처럼 에너지 측정과 공간 이미징을 동시에 구현하기 위한 설계 철학이 BIC 검출기의 핵심이며, 이를 통해 높은 에너지 분해능과 우수한 입자 분리 능력을 동시에 확보하고자 하였다.

Fig. 6. Hybrid concept of the BIC combining a GlueX-based Pb/SciFi sampling calorimeter3) and AstroPix monolithic silicon pixel sensors4) for precise energy measurement and three-dimensional shower imaging.

BIC 검출기의 설계와 구조

배럴 이미징 열량계 BIC는 이름 그대로 원통형 구조로 설계되었다. 원통의 길이 방향으로 전자 빔과 양성자(또는 이온) 빔이 서로 반대 방향으로 진행하며 충돌이 일어난다. 충돌 지점에서 생성된 입자들 가운데, 배럴 영역(약 ‒1.7\(\small < \eta <\) 1.3)에 해당하는 각도로 방출되는 산란 전자와 광자를 정밀하게 측정하는 것이 BIC 검출기의 역할이다. 다시 말해, 충돌 중심을 둘러싼 원통형 공간에서 전자기적으로 상호작용하는 입자들의 에너지를 측정하는 장치가 바로 배럴 이미징 열량계이다.

전체 BIC 검출기는 반지름 약 80‒120 cm, 길이 약 435 cm 규모로 설계되었으며, 단면이 사다리꼴 형태인 48개의 섹터로 구성된다. 각 섹터는 길게 뻗은 쐐기(wedge) 모양의 기둥이라고 볼 수 있으며, 이러한 섹터들이 서로 맞물려 배럴 구조를 이룬다. 총 무게는 약 40톤에 달하며, 설계 및 제작에 소요되는 총 비용은 약 2,300만 달러(미화 기준, 약 330억 원) 수준으로 계획되어 있다. 이는 단일 세부검출기로서는 상당한 규모이며, ePIC 검출기의 중심부를 이루는 핵심 장치 중 하나이다.

그림 7은 이러한 BIC 검출기의 전체 형상과 단일 섹터의 내부 구조를 개략적으로 보여준다. 왼쪽 그림은 원통 전체를, 오른쪽 그림은 그중 하나의 섹터를 분리해 나타낸 것이다. 파란색으로 표시된 층이 AstroPix 실리콘 이미징 층이고, 진한 회색 층이 Pb/SciFi 샘플링 열량계 층이다. 각 섹터는 단순한 단일 블록이 아니라, 서로 역할이 다른 층들이 반지름 방향으로 차곡차곡 쌓인 적층 구조로 이루어져 있다.

Fig. 7. Schematic illustration of the BIC. The cylindrical detector is segmented into 48 sectors. Each sector contains stacked Pb/SciFi sampling layers and interleaved AstroPix silicon imaging layers. Insets illustrate the Pb/SciFi fiber–lead structure and the AstroPix pixel sensor.

배럴 중심의 충돌 지점에서 방출된 전자와 광자는 먼저 내부에 배치된 pre-shower 영역을 통과한다. 이 영역에서는 비교적 얇은 Pb/SciFi 층과 실리콘 이미징 층이 교대로 배치되어 있어, 전자기 샤워의 초기 발달 과정을 세밀하게 기록할 수 있다. 이어서 입자들은 벌크 Pb/SciFi 영역으로 진입하며, 이 영역에서 샤워가 충분히 발달하고 대부분의 에너지를 잃게 된다. 이러한 단계적 구조를 통해 BIC 검출기는 전자기 샤워의 시작부터 에너지 흡수까지의 전 과정을 측정할 수 있도록 설계되었다.

검출기의 전체 두께는 약 17 radiation length (\(\small X_0\)) 이상으로 설계되었다. Radiation length는 고에너지 전자가 물질을 통과할 때 평균적으로 에너지가 1/\(\small e\) (약 37%)로 감소하는 두께를 의미하며, 전자기 샤워가 형성되는 특성 길이를 나타내는 기본 단위이다. 충분한 radiation length를 확보함으로써 전자기 샤워가 완전히 발달하고 검출기 내부에서 흡수되도록 한다. 또한 횡방향 샤워 크기를 나타내는 Molière 반경 역시 중요한 설계 요소로, 서로 가까이 생성된 두 광자 샤워를 구분할 수 있는 공간 분해능과 직접적으로 관련된다.

Pb/SciFi 부분의 구조를 조금 더 자세히 보면, 약 0.5 mm 두께의 납 층 사이에 지름 1 mm의 섬광섬유가 약 1.3 mm의 중심 간격으로 섹터 길이 방향을 따라 배치되어 있다. 납 판에 섬광섬유가 자리잡을 수 있는 홈(groove) 또는 골이 형성된 구조를 사용하여, 그 사이에 섬광섬유가 규칙적으로 들어가도록 제작된다. 납은 전자기 샤워를 발생시키는 흡수체 역할을 하고, 섬광섬유는 그 샤워를 통과하는 하전입자에 의해 빛을 내는 활성 매질 역할을 한다. 이러한 납–섬광섬유 적층 구조가 반지름 방향으로 반복되면서 하나의 샘플링 열량계를 이룬다. 각 섹터에는 약 2만 2천 개의 섬광섬유가 사용되며, BIC 전체에는 약 100만 개의 섬광섬유가 들어간다. 이 섬광섬유들을 모두 이어 놓으면 총 길이는 약 4,800 km로, 이는 서울에서 인도 뉴델리까지의 거리에 맞먹는다.

BIC 검출기의 가장 큰 특징은 Pb/SciFi 샘플링 층 사이에 삽입된 실리콘 픽셀 기반 이미징 층이다. 이 이미징 층은 전자기 샤워가 시작되는 비교적 앞부분에 배치되어, 샤워의 초기 발달 과정을 높은 공간 분해능으로 기록한다. 즉, Pb/SciFi 층이 샤워의 전체 에너지를 측정하는 역할을 한다면, AstroPix 층은 샤워가 어디서 시작되어 어떻게 퍼져 나가는지를 “사진처럼” 기록하는 역할을 한다. 이러한 두 정보가 결합됨으로써 전자–하전 파이온 분리와 광자–중성 파이온 분리 성능이 크게 향상된다. 이 이미징 층에는 단일형 HV-CMOS 센서인 AstroPix 센서가 사용된다. 하나의 AstroPix 센서는 약 2 cm × 2 cm 크기를 가지며, 500 mm 픽셀 피치를 갖는다. Pb/ SciFi 층 사이에는 총 6개의 AstroPix 이미징 층이 있고, 이 중 4개 층에 센서가 장착될 예정이다. BIC 검출기 전체에는 약 28만 개의 AstroPix 센서가 배치될 예정이며, 이를 모두 합한 능동 실리콘 센서 면적은 약 112 m²에 달하고 전체 픽셀 수는 약 4억 개에 이른다. 이는 픽셀 크기가 비슷한 85인치 4K 화면 약 50대에 해당하는 픽셀 수와 맞먹는 규모이다. 이러한 대면적·고집적 실리콘 배열은 단일형 CMOS 픽셀 센서를 기반으로 하는 입자검출기로서는 전례 없는 규모의 구성에 해당한다.

BIC 검출기는 입자를 어떻게 검출하는가?

BIC 검출기의 기본 구조는 Pb/SciFi 샘플링 열량계 부분과 AstroPix 실리콘 픽셀 이미징 부분으로 이루어져 있다. 이 두 구조는 서로 다른 방식으로 입자를 검출하지만, 함께 사용될 때 전자기 샤워의 에너지와 공간 분포를 동시에 측정할 수 있다.

먼저 Pb/SciFi 부분에서는 전자기 상호작용을 하는 입자가 납 층을 통과하면서 전자기 샤워를 형성한다. 높은 에너지의 전자가 납 원자핵 근처를 지나가면 Bremsstrahlung 복사를 통해 광자를 방출하고, 이 광자가 다시 전자–양전자 쌍생성을 일으키는 과정이 반복되면서 다수의 2차 입자가 생성된다. 반대로 고에너지 광자가 납 물질에 입사하는 경우에는 먼저 전자–양전자 쌍생성이 일어나고, 생성된 전자와 양전자가 다시 Bremsstrahlung 복사를 통해 광자를 방출하면서 동일한 샤워 발달 과정이 진행된다. 이러한 2차 하전 입자들이 섬광섬유를 통과하면 섬광 빛이 발생한다. 섬광섬유에서는 입자가 잃은 에너지에 비례한 수의 광자가 생성된다.

섬광섬유 내부에서는 전반사(total internal reflection)가 일어나기 때문에 이 빛은 섬광섬유를 따라 양쪽 끝으로 전달된다. 우리가 이 빛의 양을 광센서를 이용해 전기 신호로 변환하면, 결국 처음 입자가 지나가면서 잃은 에너지를 측정할 수 있게 된다. 다만 Pb/SciFi 구조는 샘플링 열량계로, 입자가 납에서 잃은 에너지는 직접 측정되지 않고, 섬광섬유에서 발생한 신호만 측정된다. 따라서 실제 입자의 에너지는 샘플링 비율(sampling fraction)을 이용해 재구성해야 한다.

이 과정에서 정확한 에너지 측정을 위해서는 칼리브레이션(calibration)이 매우 중요하다. 실제 실험에서는 에너지를 정확히 알고 있는 입자 빔을 이용한 빔 테스트를 통해 검출기의 응답을 보정한다. 또한 입자의 입사 각도, 섬광섬유에서의 빛 감쇠(light attenuation), 광센서의 이득(gain) 변화 등 다양한 요소가 측정하는 신호 크기에 영향을 미치기 때문에, 이러한 효과들을 모두 고려한 정밀한 보정 과정이 필요하다.

한편 BIC 검출기에는 Pb/SciFi 층 사이에 AstroPix 실리콘 픽셀 이미징 층이 삽입되어 있다. AstroPix는 단일형 CMOS 기반 반도체 검출기로, 입자가 실리콘 센서를 통과할 때 반도체 내부에서 전리 과정에 의해 전자–정공 쌍(electron–hole pair)이 생성된다. 센서에는 역방향 바이어스 전압이 인가되어 공핍층(depletion region)이 형성되며, 이 영역에서 생성된 전하들은 전기장에 의해 빠르게 수집된다. 이때 수집되는 전하의 양 역시 입자가 실리콘에서 잃은 에너지에 비례한다.

AstroPix 센서는 약 500 μm 크기의 픽셀 구조를 가지고 있어, 어떤 픽셀이 신호를 기록했는지를 통해 입자가 센서를 통과한 위치를 정밀하게 파악할 수 있다. 전자기 샤워의 횡방향 크기는 Molière 반경으로 특징지어지며, 수십 GeV 에너지의 전자의 경우 대략 수 cm 정도이다. 따라서 수백 μm 크기의 픽셀을 사용하면 샤워 구조를 매우 세밀하게 측정할 수 있다. 이러한 고해상도 이미징 능력은 서로 가까이 생성된 광자 샤워를 구분하거나, 전자와 강입자에서 발생하는 서로 다른 형태의 샤워를 구별하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어 DVCS 반응에서 생성된 단일 광자와 \(\small\pi^0\) 붕괴에서 발생한 두 개의 광자를 구분하는 데 도움을 준다.

또한 전체 AstroPix 이미징 층은 약 4억 개에 달하는 픽셀로 구성되어 있어, 매우 많은 채널의 신호를 동시에 처리해야 한다. 따라서 모든 픽셀의 데이터를 그대로 읽어오는 방식이 아니라, 일정 신호 크기(threshold) 이상인 픽셀만 선택적으로 읽어오는 방식을 사용하여 데이터량을 줄이고 잡음(noise)을 억제하도록 설계되어 있다. 이러한 신호 처리 기능은 센서 내부의 CMOS 회로에 구현되어 있어 효율적인 데이터 처리가 가능하다. 따라서 threshold 값에 따라 검출 효율이 어떻게 변화하는지를 정밀하게 이해하고 보정하는 것 역시 매우 중요한 연구 과제이다.

검출기 신호를 읽는 시스템

BIC 검출기 각 섹터의 양 끝에는 ESB(End-of-Sector Box)가 설치되어 있다. 그림 8과 같이 ESB는 검출기 내부에서 생성된 신호를 수집하여 처리하고, 이를 ePIC 전체 데이터 취득 시스템으로 전달하는 핵심 장치이다.

Fig. 8. Readout layout of the BIC sector. A trapezoidal End-of-Sector Box (ESB) is installed at both ends of each sector. Scintillation photons from the Pb/SciFi fibers are guided by light guides to photosensors (SiPMs), while signals from the AstroPix imaging layers are read out via End-of-Tray Cards (ETCs).

Pb/SciFi 부분에서 생성된 섬광 신호는 섬광섬유를 따라 전달되어 섹터의 끝단에 도달한다. ESB 내부에서는 아크릴 재질의 라이트 가이드(light guide)와 옵티컬 쿠키(optical cookie)를 이용하여 이러한 광 신호를 SiPM(Silicon Photomultiplier) 광센서로 효율적으로 전달한다. 각 섹터의 끝단에는 사다리꼴 단면을 가진 라이트 가이드가 5×12 배열로 총 60개 배치되어 있으며, 각각의 라이트 가이드는 섬광섬유에서 전달된 빛을 대응되는 SiPM으로 안내하는 역할을 한다. SiPM은 입사한 광자를 전기 신호로 변환하는 광센서로, 섬광섬유에서 전달된 광자가 센서에 도달하면 그 수에 비례하는 전기 신호가 생성된다. 앞서 설명한 것처럼 섬광섬유에서 생성되는 광자의 수는 입자가 검출기를 통과하면서 잃은 에너지에 비례하므로, SiPM에서 측정된 전기 신호의 크기를 통해 입사한 입자의 에너지를 재구성할 수 있다. 이후 전치(front-end) 전자 회로와 ASIC을 통해 신호가 증폭되고 디지털 데이터로 변환된다.

AstroPix 이미징 층에서 생성된 데이터는 각 센서 모듈에서 1차적으로 처리된 뒤, 각 섹터 양 끝의 ESB 내부에 위치한 ETC (End-of-Tray Card)로 전달된다. ETC는 여러 픽셀 센서에서 발생한 데이터를 수집하고 정리하는 전자 카드로, 이후 데이터를 전체 데이터 취득 시스템으로 전달하는 역할을 한다. 이와 같이 Pb/SciFi에서 발생한 광 신호와 AstroPix 픽셀 신호는 서로 다른 경로를 통해 처리되며, 최종적으로 ESB에서 상위 데이터 취득 시스템으로 전달된다. 또한 여러 검출기에서 동시에 발생한 이벤트를 정확히 결합하기 위해 모든 전자 시스템에는 동기화된 클록(clock) 신호가 공급된다. 이를 통해 서로 다른 검출기에서 기록된 신호들을 시간적으로 동기화하여 하나의 충돌 사건으로 재구성할 수 있다.

또한 ePIC은 전통적인 하드웨어 트리거 방식 대신, 모든 데이터를 연속적으로 읽어들이는 스트리밍 데이터 수집 시스템(streaming DAQ)을 채택하고 있다. 이는 특정 순간을 사진처럼 찍어 기록하는 방식이 아니라, 영상처럼 연속적으로 검출기 정보를 기록하는 방식에 비유할 수 있다. 각 검출기에서 생성된 데이터는 시간 정보와 함께 저장되며, 이후 온라인 컴퓨팅 시스템에서 전체 검출기 시스템의 정보를 결합하는 소프트웨어 기반 이벤트 구성(event building) 과정을 거친다. 이어서 원하는 물리 현상이 포함될 가능성이 높은 이벤트를 선별하는 절차를 통해 물리적으로 의미있는 사건만을 선택적으로 저장한다. 이러한 방식은 방대한 양의 데이터를 효율적으로 처리하고, 물리 분석에 필요한 정보를 신속하게 제공하는 데 중요한 역할을 한다.

검출기 제작 계획과 국제 협력

BIC 검출기는 현재 예비 설계 단계를 성공적으로 마치고, 최종 설계 검토(Final Design Review)를 향해 진행 중이다. 이후 단계적으로 사전 생산(pre-production)을 거쳐 본격적인 대량 생산 단계에 들어갈 예정이다. 전체 48개 섹터의 제작과 설치는 EIC 전체 건설 일정과 긴밀히 연동되어 진행되며, 검출기 구축이 완료된 이후 2030년 중반 실제 충돌 실험이 시작될 것으로 예상된다.

BIC 검출기는 ePIC 검출기의 한 세부검출기 시스템이지만, 그 규모와 기술적 복잡성 때문에 여러 국가 연구기관이 역할을 분담하여 수행하는 국제 공동 개발 사업으로 추진되고 있다. 대표적인 참여 기관으로는 미국의 Argonne National Laboratory (ANL), NASA Goddard Space Flight Center, University of Connecticut, Oklahoma State University를 비롯해, 캐나다의 University of Regina, University of Manitoba, Mount Allison University, 독일의 KIT, University of Giessen, 그리고 한국의 경북대학교, 연세대학교, 성균관대학교, 부산대학교, 강원대학교, 중앙대학교 등의 여러 대학과 연구소가 포함된다. 이러한 협력 구조는 특정 기술이 한 기관에 집중되는 것이 아니라, 각 기관의 분야별 전문성을 바탕으로 분산된 협력 체계를 형성하고 있음을 보여준다.

그림 9는 BIC 연구 그룹의 조직 구조를 보여준다. 프로젝트 관리 체계 아래에서 전체 조직은 크게 네 개의 주요 수행 팀(work packages)으로 구성되어 있다. 각 팀은 특정 기술 영역을 담당하며, 북미 측 Technical Manager (TM)와 한국 측 Deputy TM이 함께 책임을 맡는 구조로 운영된다. 이러한 이중 책임 체계는 단순한 참여 수준을 넘어, 북미와 한국이 BIC 검출기 개발과 제작에서 주요 파트너로서 공동으로 역할을 수행하고 있음을 보여준다.

Fig. 9. Organizational structure of the ePIC BIC group.

네 개의 수행 팀은 각각 AstroPix 센서 웨이퍼 생산과 이미징 층 모듈 조립을 담당하는 팀, 배럴 열량계 구조 설계와 섹터 제작을 담당하는 팀, 신호 처리 박스(ESB)와 데이터 수집 시스템(DAQ)을 담당하는 팀, 그리고 시스템 통합과 시뮬레이션을 담당하는 팀으로 구성된다. AstroPix 센서 팀은 웨이퍼 생산, 칩 테스트, 모듈 조립 등 고정밀 반도체 공정과 품질 관리 체계를 기반으로 한 작업을 수행한다. 기계 구조 팀은 대형 배럴 구조의 정밀 가공과 섹터 조립을 담당하며, ESB 팀은 고속 데이터 수집과 전자 신호 처리 시스템의 설계와 통합을 맡는다. 마지막으로 시스템 통합 팀은 빔 테스트와 시뮬레이션 연구를 통해 전체 검출기 성능을 검증하는 역할을 수행한다.

한국 연구진 역시 BIC 연구 그룹의 주요 구성원으로 참여하고 있으며, 설계 검증, 전자 시스템 개발, 모듈 제작, 그리고 시스템 통합 등 다양한 분야에서 기여하고 있다. 구체적인 한국 연구팀의 기술적 역할과 연구개발 활동은 다음 글에서 보다 자세히 소개한다.

맺음말

BIC 검출기는 EIC 물리 프로그램의 핵심 요구를 충족하기 위해 설계된 차세대 전자기 열량계이다. Bjorken-x와 Q²로 대표되는 넓은 운동학 영역에서 전자와 광자를 정밀하게 측정하기 위해, 전통적인 샘플링 열량계 기술과 첨단 픽셀 이미징 기술을 결합한 구조를 채택하였다.

현재 BIC 검출기는 최종 설계를 향해 안정적으로 개발이 진행되고 있으며, 향후 생산과 설치 단계를 거쳐 EIC 실험의 중심 검출기로 자리 잡게 될 것이다. BIC 검출기의 개발 과정은 국제 협력 연구의 모범적인 사례이자, 국내 검출기 연구 역량을 한 단계 도약시키는 중요한 계기가 될 것으로 기대된다.