핵 및 하드론실험그룹은 아주 낮은 eV영역의 에너지부터 수 GeV영역의 아주 높은 에너지까지 넓은 에너지 영역에 걸쳐 핵과 하드론의 구조와 성질, 그리고 그들 사이의 상호작용에 관하여 연구하고 있다.

물질의 새로운 상태인 쿼크-글루온-플라즈마에 대한 실험적 연구를 수행하고 있다. 물질을 이루는 가장 기본적인 입자로 알려져 있는 쿼크는, 일상적인 물질상태에서 양성자나 중성자, 그리고 중간자 같은 강입자 속에서 강하게 속박되어 있어서 따로 떨어뜨려 발견될 수 없다고 알려져 있지만, 격자양자색소역학 (Lattice Quantum-Chromo-Dynamics : Lattice QCD) 이론에 따르면, 고온 및 고밀도의 상태에서 쿼크는 글루온과 함께 거의 자유롭게 플라즈마 상태를 이룰 것으로 예측되는데, 이러한 새로운 물질의 상태를 쿼크-글루온-플라즈마 (Quark-Gluon-Plasma : QGP) 라고 한다. 이것은 우주최초에 우주의 생성단계에서도 중요한 역할을 했을 것으로 예측되는 바, 이에 대한 이론적, 실험적 연구들이 세계적으로 중요한 이슈가 되고 있다.

이러한 새로운 물질의 상태를 찾기 위하여, 스위스, 독일 및 미국 등지에 세계 최대 규모의 중입자 가속기가 가동중에 있는데, 중이온물리 연구그룹은 스위스의 CERN (유럽공동핵물리연구센터), 독일의 GSI (중이온연구소), 미국의 BNL (부룩헤이븐국립연구소) 의 유수한 연구그룹인 NA49 (CERN/SPS), CBM (GSI/SIS300), STAR (BNL/RHIC) 에 공동연구그룹으로 참여하고 있다. 특히 최근 세계적인 관심을 끌고 있는 새로운 입자인 다섯 개의 쿼크로 이루어진 입자를 발견하고, 이에 앞서 QGP와 관련된 중요업적들이 국내외의 언론에 보도된바 있다.
보통 중이온(핵)물리 실험들은 그 규모상 각자의 역할이 골고루 분담된 대규모 (수십-수백명) 의 연구규모를 이루어 실험이 수행되는데, 특히 검출기를 직접 제작하고, 그 전기적 신호를 처리하며, 이를 디지털화하여 실험데이터로 저장하게 되는 일련의 하드웨어적 과정 및 그 저장된 데이터로부터 의미 있는 물리적인 실험결과를 도출해내는 일련의 소프트웨어적 기술을 모두 필요로 하여 연마하게 되며, 순수 물리학 이외에도 기술적인 측면에서 검출기 전문가, 전자회로 전문가 및 컴퓨터 프로그래밍 전문가 (Unix 계열)로서 활동할 수 있다.
본 연구그룹이 학생들은 연구그룹의 활동상 미국 및 유럽 등지에 수시로 장단기 체류하며 연구를 수행하게 되며, 석사과정에서의 기본적인 기술적 숙련과정을 거쳐 석사학위 취득이후 원자력 기술관련 취업이나, 박사학위과정에서 세계적으로 폭넓은 연구교류를 통해 학위 취득 후 전문 연구원으로 국내외에서 일자리를 잡을 수 있다.

고에너지 중이온 충돌에서 생성되는 고온 고밀도의 물질인 쿼크-글루온-플라즈마의 특성을 연구하고 있다. 이를 위해서 거대 실험에 참여하여 공동으로 연구를 수행하고 있으며, CERN의 LHC에서 이루어지는 ALICE 실험, BNL의 RHIC에서 이루어지는 PHENIX/sPHENIX 실험에 참여 하고 있다. 충돌 실험 데이터를 수집하기 위한 검출기 제작 및 테스트, 실험 데이터를 수집하는 과정, 수집된 실험 데이터를 분석, 분석한 실험 결과를 이해하기 위한 여러 가지 모델과의 비교 연구 등의 다양한 연구 활동을 한다.
중이온 충돌 실험에 사용되는 핵인 금핵이나 납핵의 경우 200여개의 핵자(양성자 및 중성자)로 이루어져있다. 가속된 무거운 핵은 이를 구성하는 양성자 및 중성자의 단순한 중첩이 아니라 내부의 쪽입자 분포가 변형되는 등의 고유한 핵물질 효과를 보인다. 따라서 중이온 충돌 실험의 결과를 더욱 자세하게 이해하기 위해서는 충돌 이전의 핵의 구조 및 특성에 대한 정보가 매우 중요하다. 이를 연구하기 위해서 새로운 거대 실험인 전자-핵 충돌 실험이 제안 되고 있으며, 이를 준비하기 위한 과정인 검출기 개발 및 물리 프로그램 탐색 등의 연구를 한다.