원소는 양성자와 중성자가 모인 원자핵, 그리고 주위를 도는 전자로 구성되어 있다. 각 원소는 양성자의 개수에 따라 원자번호가 매겨지며 고유의 성질을 갖게 되는데, 양성자의 개수는 같으며 중성자의 개수가 다른 원자를 동위원소(isotope)라고 한다.

이 때 양성자나 중성자의 수가 8, 20, 28, 50, 82, 126과 일치하는 경우 원자핵은 양성자나 중성자의 수가 이와는 다른 주변의 원자핵보다 상대적으로 안정한 성질을 갖게 된다. 이들 수를 양성자나 중성자의 '마법수'라고 부른다.

자연계에는 원자번호 1번 수소(H)부터 92번의 우라늄(U)까지 천연원소가 안정적으로 존재하고 있다. 이에 반해 이론으로 추정하고 있는 일부의 인공원소만을 입자가속기 등의 실험장치를 이용해 재현하고 있다. 이는 인공원소가 불안정하고 반감기가 짧은 특성을 갖기 때문이다.

학계는 자연계에 존재하는 철(Fe:원자번호 26)보다 무거운 원소의 절반이, 초신성 폭발과 같은 고온·고중성자 밀도의 환경에서 ’r과정(Rapid Process)‘을 거쳐 합성된 것으로 추정하고 있다. r과정은 원자핵이 주변을 떠도는 중성자를 흡수해 중성자 과잉핵이 되는 것에서 시작한다. 이 때 일부 중성자들이 베타선을 방출하는 베타 붕괴 후 양성자로 변환되고, 기존의 원자핵에 이 양성자가 더해져 금(Au:원자번호 79), 우라늄과 같은 중(重)원소가 생성된다.

현재까지 일부의 인공원소는 다핵자 이행반응을 입자가속기로 구현해 만들 수 있었다. 가속한 입사핵을 정지한 표적핵에 충돌 시키는 순간, 주변의 양성자 또는 중성자를 붙이는 방법이다. 이와 같은 실험법으로 중성자 마법수를 갖는 중성자 희귀동위원소를 만들 수도 있는데, 그 유효성은 실험적 한계로 인해 그 동안 검증이 힘들었다.

이에 연구진은 핵자당 800만 전자볼트로 가속시킨 크세논(Xe:원자번호 54번) 입사핵을 백금(Pt:원자번호 78번) 표적핵에 충돌시키는 방법을 고안했다. 그 결과 중성자 마법수 126인 희귀동위원소 ²⁰²OS(오스뮴의 동위원소)를 생성하고, 프랑스 GANIL연구소의 VAMOS++ 첨단 검출기를 동원해, 그 단면적의 측정에 성공하였다.

본 연구는 이론으로만 존재할 것으로 여겨진 중성자 마법수 126의 희귀동위원소를 추가적으로 찾아낼 수 있는 발판을 마련했다는 평가를 받는다. 이번 성과는 과학벨트 중이온가속기의 제작 시 세계 최고의 입자가속기 설립을 위해 활용된다. 이 밖에 미제로 남아있는 새로운 원자핵 생성과 우주탄생의 근원을 밝히는데 결정적 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.

▲ Nuclear chart상의 ‘중성자 마법수 126’과 희귀동위원소 ²⁰²OS 생성

이번 연구는 기초과학연구원 중이온가속기사업단(RISP/IBS)이 서울대, 일본 고에너지 가속기 연구기구(KEK) 소립자 원자핵 연구소(IPNS)의 단수명핵그룹, 오사카대학, 프랑스 GANIL 국립 연구소, Orsay 핵물리 연구소(IPN), 이탈리아의 토리노 대학, Legnaro 국립 연구소, Padova 대학과 공동으로 진행했으며, 물리학 분야에서 권위 있는 국제학술지인 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 지난 10월23일 게재됐다.

대외협력실 김한섭