기초 과학 연구원(IBS) 희귀 핵 연구 단(CENS) 14일 열린 미디어 아카데미 행사에서 "희귀 동위원소(RI) 빔과 최첨단 검출 기를 사용해 희귀 핵의 성질을 실험적으로 밝히는 데 선도적 역할을 할 것"이라며 이같이 밝혔다.
세상 모든 물질은 원자로 구성된다. 그리고 원자들은 다시 원자핵과 전자로 나뉘고, 원자핵(핵)은 양성자와 중성자로 구분된다. 그리고 양성자 속에는 그보다도 작은 쿼크 가 담겨있다. 이처럼 물질을 끊임없이 쪼개 만물의 근원이 무엇 인지를 찾아내는 것인 물리 학계의 가장 큰 염원 중 하나 다.
CENS는 이처럼 세상의 물질을 이루는 요소 가운데 '핵'에 초점을 두고 있다. 핵은 양성자와 중성자의 비율에 따라 안정성이 달라진다. 불안정한 핵은 방사선을 방출하면서 스스로 안정해지기 위해 붕괴된다. 이처럼 핵들이 붕괴되거나, 안정 화 되는 과정에서 나타나는 에너지를 활용하는 기술이 바로 핵융합과 핵분열이다.
지금까지 발견된 핵의 종류는 3000 여 가지에 달하지만 이 가운데 안정성을 지닌 것은 300 여 개에 불과하다. 심지어 존재할 것으로 예상되나 발견조차 못한 핵 종도 3000~7000 여 개에 달한다. 특히 이 가운데 양성자와 중성자의 합 이 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126개인 핵들은 더 안정적이고 탄탄한 구조를 띄어 '마법 수라고 불리기도 한다.
CENS는 아직 발견되지 않은 수천 여 개의 핵 종을 주시하고 있다. 자연적으로는 존재하지 않는 핵들을 실험을 통해 만들어낸다는 계획이다. 실제로 우리 과학자들이 참여한 연구진이 지금까지 존재하지 않았던 새로운 '산소' 핵 탐색에 나서며 국제 학술지 '네 이 처(Nature)'에 연구 결과를 게재하기도 했다.
자연적으로 지구 상에 존재하는 산소는 양성자와 중성자가 각각 8개 씩 포함돼 안정적인 상태인 산소-16으로 존재한다. 물리적으로 핵에는 중성자가 더해질 수 있는 드립 라인(존재 한계 선)'이 존재한다. 현재까지 실험적으로 관측된 산소의 드립 라인은 양성자 8개, 중성자 16개의 산소-24였다. 하지만 학계에서는 마법 수인 8과 20 이 합쳐진 이중 마법 핵 '산소-28'이 존재할 수 있다고 기대한 바 있다.
이에 연구진은 일본 이 화학 연구소의 중 이온 가속기 RIBF로 산소-28 구현에 나섰다. RIBF로 안정적인 칼륨-48 핵을 분리 시키는 방식이었다. 연구진은 칼륨-48로 액체 수소 표적을 적중 시켜 플루 오린-29를 생성했고, 여기서 다시 양성자 1개를 제거하는 방식으로 산소-28을 만들려 했다.
연구 결과 굉장히 짧은 시간 동안 산소-28 이 생겨나는 듯 했으나, 곧바로 중성자 4개 가 튕겨나가며 산소-24만 생성됐다. 연구진은 질량 상태 등으로 봤을 때 산소-28은 없었다는 결론을 내렸다. 중성자 수 20개의 마법 수가 생길 것이라는 기대와 달리 중성자가 소실돼버렸다는 분석이다.
연구진은 산소-18을 베 릴 륨 에 충돌 시켜 양성자 2개, 중성자 6개의 헬륨-8을 생성하고, 이후 헬륨-8 빔을 양성자 1개의 액체 수소 표적에 충돌 시켰다. 그 결과 헬륨-4(양성자 2개·중성자 2개)가 방출되며 중성자 4개만 오 롯 이 남게 되는 순간적인 핵 반응이 관측했다.
양성자가 하나도 없는 이른바 '원자번호 0'의 핵이 관측된 것이다. 이 핵은 불과 3.8×1/10²²초만 존재하고 분리됐지만 분명히 존재했던 것으로 파악됐다. CENS는 이 같은 실험 결과가 다른 연구진들을 통해 지속적으로 관측되면 미래에는 과학 교과서 주기율표에 원자번호 0의 물질이 추가될 수도 있다고 기대하고 있다. 이 연구 결과 또한 네 이 처에 게재됐다.
우리나라는 중 이온 가속기 부문에서 과학 선도 국에 비해 후 발 주자에 속하지만, 라 온 은 희귀 동위원소를 만드는 2가지 방법인 ISOL(Isotope Separation On-Line)과 IF(In-flight Fragmanetation) 방식을 모두 사용한다는 차별 점을 보인다. ISOL과 IF를 모두 활용하는 것은 라 온 이 최초다.
ISOL 방식을 통해 생성한 희귀 동위원소를 IF 방식으로 재 가속해 더욱 희귀한 신 물질을 생성하는 것이 라 온 의 목표다. CENS는 이 같은 라 온 의 특성을 이용하면 신 물질 뿐만 아니라 그동안 발견되지 못했던 희귀한 핵도 함께 발견할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
라 온 은 지난 5월 첫 빔 시 운전에 성공하며 동위원소를 처음으로 만들어낸 바 있다. 그 후에는 시설 교체 문제 등으로 인해 추가 가동은 이뤄지지 않은 상태다.
CENS가 목표로 하는 실험은 아직 구축이 되지 않은 라 온 의 고 에너지 가속 기간이 필요하다. 라 온 의 가동 영역이 넓어지며 중 이온 빔이 원하는 지점까지 도달하면 곧바로 추가 실험을 진행할 수 있도록 항상 준비하고 있다는 게 CENS의 설명이다. 라 온 에서 희귀 동위원소를 만들어내는 분 광 장치(KoBRA)를 활용한 핵 반응, 핵 구조, 핵 천체 물리 등의 공동 연구는 지금도 이미 진행되고 있다.
CENS는 ISOL과 IF를 결합한 라 온 의 기술력을 활용해 베일에 싸여있는 미지의 핵 종 7000개를 하나 씩 발견해나간다는 계획이다.
한 인식 CENS 단장은 "아직도 인류는 철에서 우라늄까지 다양한 원소들이 어떻게 만들어지는지 모르고 있다. 초신성 폭발 등의 유력한 가설들이 있지만 이 또한 확정할 수는 없다"며 "희귀 핵 성질을 실험적으로 밝혀냄으로써 다양한 무거운 원소들과 우리가 살고 있는 우주의 기원이 무엇인지 알아갈 것"이라고 말했다．
