원자핵 내부의 질서가 뒤집히는 독특한 물리 현상이 포착됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕) 희귀 핵 연구단 하정수 YSF¹⁾(Young Scientist Fellow)가 참여한 국제 공동연구팀은 그동안 중성자가 매우 많은 핵에서만 나타난다고 알려졌던 ‘반전의 섬(Island of Inversion)’ 현상이 양성자와 중성자 수가 같은 ‘대칭 핵’에서도 발생한다는 사실을 처음으로 확인했다.

이번 연구는 IBS 희귀 핵 연구단을 비롯해 이탈리아 파도바 대학교, 미국 미시간 주립 대학교, 프랑스 스트라스부르 대학교 등이 함께 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 11월 27일 게재됐다.

원자는 중심의 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이뤄진다. 원자핵은 핵자(양성자와 중성자)가 여러 층의 껍질(shell)에 배치된 구조를 보이며, 이 구조에 따라 핵의 모양과 성질이 결정된다. 일반적으로 핵자들은 에너지가 낮은 껍질부터 차례로 채워지며 안정된 형태를 유지한다. 그러나 특정 조건에서는 핵자들이 평소보다 높은 층의 껍질에 자리할 때 오히려 더 안정해지는 역전 현상이 나타나는데, 이러한 구조 반전을 ‘반전의 섬’이라고 부른다.

이 현상은 지금까지 베릴륨-12, 마그네슘-32, 크로뮴-64 등 중성자가 과도하게 많은 불안정한 핵에서만 관측돼 왔다. 연구팀은 몰리브덴-84와 몰리브덴-86이라는 중성자가 적은 두 희귀 핵을 비교해 이러한 통념을 뒤집었다. 두 핵은 양성자 수(42개)가 같고 중성자만 두 개가 차이(각각 42개, 44개)나 구조 변화를 비교하기에 적합하다.

실험은 미국 미시간 주립 대학교 국립 초전도 사이클로트론 연구소(NSCL)²⁾에서 생성된 몰리브덴-84와 몰리브덴-86 방사성동위원소 빔을 표적에 충돌시키는 방식으로 진행됐다. 빔이 표적에 충돌하면 원자핵은 잠시 에너지를 머금은 들뜬 상태(excited state)가 되고, 이후 감마선을 방출하며 다시 에너지가 낮은 본래의 안정된 구조인 바닥 상태(ground state)로 돌아간다. 연구팀은 이때 방출되는 감마선을 정밀하게 측정해 들뜬 상태가 얼마나 지속됐는지 측정했다. 원자핵이 바닥 상태로 되돌아가는 데 걸리는 시간은 원자핵의 실제 구조가 어떤 형태인지를 밝히는 단서가 된다.

분석 결과, 몰리브덴-84는 바닥 상태로 매우 빠르게 복귀했으며, 길게 늘어나거나 납작해진 강한 변형을 보였다. 반면 몰리브덴-86은 변형이 훨씬 적었다. 중성자 단 2개의 차이로 원자핵의 모양과 구조가 크게 달라지는 뚜렷한 대비가 드러난 것이다. 연구팀은 이 데이터를 여러 핵 형태를 가정한 이론 계산과 비교했으며, 몰리브덴-84의 강한 변형은 여러 핵자가 높은 껍질을 차지하는 역전 현상이 일어날 때만 재현됨을 확인했다. 즉, 몰리브덴-84는 반전의 섬의 특성과 정확히 부합하는 구조를 갖는 것이다.

특히 몰리브덴-84는 양성자와 중성자 수가 같은 대칭 핵(N=Z)이다. 대칭 핵에서는 양성자와 중성자가 거의 구분되지 않고 함께 움직이기 때문에, 여러 핵자가 한꺼번에 높은 껍질로 이동하는 집단적 껍질 들뜸이 나타나기 유리하다. 이번 연구는 이러한 집단적 들뜸이 실제로 강한 변형과 구조 반전으로 이어진다는 것을 명확히 확인함으로써, 대칭 핵에서도 반전의 섬이 형성된다는 사실을 실험적으로 입증했다.

또한 연구팀은 이번에 확인된 구조 반전이 원자핵을 구성하는 핵력 중 하나인 ‘삼핵자 힘(three-nucleon force)’과 밀접하게 연관되어 있음을 밝혔다. 삼핵자 힘은 세 개의 핵자가 동시에 존재할 때 나타나는 추가 상호작용으로, 두 핵자 간 힘만으로는 설명되지 않는 미세한 구조 차이를 결정하는 역할을 한다. 실제 이론 계산에서 삼핵자 힘을 제외하면 실험에서 관측된 강한 변형이 재현되지 않았는데, 이는 삼핵자 힘이 반전의 섬을 형성하는 핵심 요소임을 시사한다.

실험데이터 분석을 주도한 하정수 YSF는 “이번 연구는 대칭 핵에서도 반전의 섬이 나타날 수 있음을 보여준 첫 사례로, 원자핵 구조 변화에 대한 기존 이론을 확장하는 중요한 발견”이라며, “희귀동위원소의 구조 예측 정확도를 높이고 새로운 핵모델 개발에도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다

그림 설명

[그림 1] 원자핵 생성과 감마선 측청 실험 과정
몰리브덴-84와 몰리브덴-86의 구조를 밝히기 위해 진행한 실험의 전체 흐름을 보여준다. (a) 몰리브덴-92 빔이 1차 베릴륨(Be) 표적과 충돌하며 몰리브덴-86을 비롯한 여러 원소를 생성한다. 이 가운데 분리·선택된 몰리브덴-86 빔을 다시 2차 베릴륨 표적에 충돌시켜 몰리브덴-86과 몰리브덴-84의 들뜬 상태를 만들어낸다. (b) 들뜬 상태의 핵은 감마선을 방출하며 바닥상태로 돌아가는데, 이 때 나오는 감마선을 GRETINA 저마늄 검출기 어레이로 검출한다. 빔이 매우 빠르게 이동하기 때문에(빛의 약 30%) 감마선에는 도플러 효과가 생기며, 이를 보정하면 그림처럼 두 핵에서 나온 신호를 구분해 분석할 수 있다.
Ha et al., Nature Communications

[그림 2] 몰리브덴-84와 몰리브덴-86에서 측정된 감마선 스펙트럼
위쪽은 중성자 두 개가 떨어져 나가며 생성된 몰리브덴-84에서 나온 감마선 스펙트럼, 아래쪽은 몰리브덴-84가 들뜬 뒤 바닥 상태로 돌아오며 방출한 감마선 스펙트럼이다. 검은 막대는 GRETINA 검출기로 얻은 실제 데이터이며, 빨간 선은 검출기의 특성과 조건을 반영해 계산한 시뮬레이션 결과다. 그래프의 F(fast)와 S(slow) 표시는 핵이 감마선을 방출할 때의 속도 차이를 뜻하며, 이 두 신호의 크기를 비교하면 들뜬 상태의 수명과 핵 구조 변형 정도를 정밀하게 파악할 수 있다.
Ha et al., Nature Communications

[그림 3] 핵 도표에서 확인된 새로운 ‘반전의 섬(Island of Inversion)’ 영역
이 그림은 원자핵 내부에서 ‘반전의 섬’이 어디에서 나타나는지를 보여준다. 지금까지 알려진 반전의 섬(초록색 타원)은 중성자가 많은 불안정한 원자핵에서만 발견되었으며, 이러한 핵에서는 여러 입자가 낮은 껍질에서 빠져나와 높은 껍질로 이동하는 현상이 일어난다.
이번 연구에서 밝혀진 대칭 핵(양성자 수 = 중성자 수) 영역의 새로운 반전의 섬(보라색 타원)은 그동안 존재가 알려지지 않았던 구역이다. 연구진은 양성자와 중성자 수가 대칭인 몰리브덴-84에서 8개의 입자(particle)가 한꺼번에 높은 껍질로 이동하여 8개의 빈자리(hole)이 생기는 대규모 구조 변화, 8입자–8홀 들뜸이 나타난다는 사실을 확인했다. 이는 기존에 알려진 반전의 섬보다 훨씬 큰 폭의 구조 변형으로, 대칭 핵에서도 이와 같은 현상이 일어날 수 있음을 보여주는 핵심 결과다. Ha et al., Nature Communications

1) IBS Young Scientist Fellowship: 젊은 연구자들이 독립적인 연구를 수행할 수 있도록 지원하기 위한 IBS의 차세대 연구리더 육성 프로그램. Young Scientist Fellow(YSF)는 IBS의 최첨단 연구 인프라를 활용해 연구를 수행하는 한편, 연구단 내에서 소규모 연구 그룹을 독립적으로 운영한다.

2) NSCL(National Superconducting Cyclotron Laboratory): 미국 미시간 주립 대학교에 설립된 세계적 희귀동위원소 연구시설로, 방사성동위원소빔을 생성·가속하는 실험의 중심 역할 수행. 2022년 시설 확장 및 업그레이드를 통해 ‘희귀동위원소빔 연구시설(Facility for Rare Isotope Beams, FRIB)’로 전환