독일 다름슈타트 공과대학, 일본 이화학연구소, 기초과학연구원 등으로 구성된 국제 공동 연구팀은 ‘테트라¹⁾ 중성자’로 불리는 4개의 중성자만으로 만들어진 핵의 증거를 확인했다. 이로써 ‘원자번호²⁾’ 세계의 길을 열었다.

이번 연구에 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 희귀 핵 연구단 한인식 단장(이화여자대학교 초빙 석좌교수) 등 연구진 5명은 실험에서 핵심 요소였던 고순도 헬륨-8(⁸He) 빔 생성과 실험 전과정 동안 다중입자 측정 장치 성능평가 및 온라인 데이터 분석 등에 기여했다.

물질을 구성하는 최소 단위인 원자는 중성자와 양성자로 이루어진 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 지금까지는 중성자만으로 이루어진 원자핵은 존재하지 않았으며, 중성자로만 구성된 결합 시스템으로 알려진 자연 현상은 중성자별³⁾이 유일하다. 양성자가 없는 원자핵의 존재는 이론적으로 제시되었으나 실험적으로 명확히 관측된 적이 없어 60년 동안 핵물리 연구 분야의 풀리지 않는 난제였다.

국제 공동 연구진은 일본 이화학연구소(RIKEN)의 중이온 가속기 RIBF⁴⁾ 의 다중입자 측정 실험 장치(SAMURAI 스펙트로미터⁵⁾)로 4개의 중성자만으로 만들어진 원자핵을 관측하며 ‘테트라 중성자 핵’이 존재할 수 있다는 새로운 증거를 확보했다.

연구진은 가속기를 통해 생성된 무거운 빔을 상대적으로 가벼운 표적에 충돌시켜 무거운 원자핵으로부터 일부 핵만 제거하는 방식으로 중성자 핵을 생성했다. 우선 산소-18(¹⁸O) 1차 빔을 가속해 금속(베릴륨)으로 이루어진 표적에 충돌시켜 무거운 빔인 헬륨-8(⁸He, 양성자 수 2, 중성자 수 6)을 만들었다. 이후 초전도 RI(희귀 동위원소) 빔 생성 분리 장치(BigRIPS)를 이용하여 헬륨-8(⁸He) 빔을 분리 및 전송하여 다중입자 측정 장치에 위치한 액체 수소표적(양성자 1)에 조사했다. 이에 헬륨-4(⁴He, 양성자 수 2, 중성자 수 2)이 방출되며 4개의 중성자만 남게 되는 순간적인 핵반응을 관측했다.

양성자를 1개도 포함하지 않는 이른바 ‘원자번호 0’의 기묘한 원자핵을 관측한 것으로, 원자핵 나아가서는 원소의 안정성을 결정짓는 핵력의 모델을 크게 바꿀 가능성도 있다. 또, 수수께끼가 많은 초고밀도 천체인 중성자별의 이해를 위한 연결고리로 이어질 것으로 기대된다.

빔 생성 과정의 핵심멤버였던 안득순 박사는 “수십년간 확인하지 못했던 테트라 중성자 상태를 알려주는 공명 구조를 정확히 관측했다”며 “중성자 사이의 상호 작용과 이에 따른 핵력을 이해하는데 매우 중요한 열쇠가 될 것”이라고 전했다.

한인식 단장은 “연구단 출범 2년여만에 얻은 의미 있는 연구성과이며, 세계적인 프로젝트에 국내에서는 유일하게 IBS 연구진만이 참여해 교과서를 바꿀만한 발견에 힘을 보탰다”며 “향후 한국에서도 국내 우수한 연구진이 IBS 중이온 가속기 연구시설을 활용하여 우주의 미지 영역 탐구를 위해 끊임없이 노력할 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 세계적 학술지 네이처(Nature, IF 69.504)에 6월 23일 게재되었다.

그림설명

[그림 1] RIBF 가속기, 빔 생성 및 분리 장치(BigRIPS), 다중입자 측정 실험장치 개념도
입자가속기인 링 사이클로트론(RRC), 초전도 링 사이클로트론(SRC)으로 가속된 1차 빔의 18O 빔을 베릴륨(Be) 표적에 조사하고, 2차 빔으로 8He을 생성했다. 생성된 8He 빔을 초전도 RI 빔 생성 분리 장치(BigRIPS)를 이용하여 분리하고, 분리된 빔을 다중입자 측정 장치의 표적 위치에 공급하였다.

[그림 2] 다중입자 측정 실험장치(SAMURAI 스펙트로미터)
초전도 RI 빔 생성 분리 장치(BigRIPS)로부터 전송된 8He 빔의 통과 위치와 각도는 빔 궤도 검출기에 의해 결정된다. 8He 빔과 수소 표적 중의 양성자가 충돌하고, 8He 내의 4He과 양성자(p)가 빠져나온다. 양성자와 4He 핵의 산란 각도는 수소 표적 하류의 실리콘 검출기에 의해 결정되며, 에너지는 다중입자 측정 장치에 의해 고해상도로 측정된다. 한편 4개의 중성자는 실리콘 검출기와 다중입자 측정 장치를 통과하여 중성자 검출기에 의해 부분적으로 검출된다.

[그림 3] 헬륨-8 빔에서 4개의 중성자가 생성되는 과정
쳐내기 반응은 가벼운 원자핵과 무거운 원자핵을 충돌시켜, 무거운 원자핵으로부터 일부 핵자만을 제거하는 것을 말한다. 중성자 희귀 동위원소 헬륨-8 빔(양성자 수 2, 중성자 수 6)은 양성자 표적과 반응하여 헬륨-4(양성자 수 2, 중성자 수 2)과 양성자를 방출한다.

1) ‘4’를 뜻하는 그리스 숫자 표기