독일 다름슈타트 공과대학, 일본 이화학연구소, 기초과학연구원 등으로 구성된 국제 공동 연구팀은 ‘테트라(‘4’를 뜻하는 그리스 숫자 표기) 중성자’로 불리는 4개의 중성자만으로 만들어진 핵의 증거를 확인했다. 이로써 ‘원자번호 0번¹⁾’ 세계의 길을 열었다.

이번 연구에 기초과학연구원 희귀 핵 연구단 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 중성자별이 유일하다. 양성자가 없는 원자핵의 존재는 이론적으로 제시되었으나 실험적으로 명확히 관측된 적이 없어 60년 동안 핵물리 연구 분야의 풀리지 않는 난제였다.

중성자별은 질량이 큰 별이 초신성 폭발을 일으킨 뒤 남는 천체로 중심부가 거의 중성자로 이루어져있다. 출처 NASA

국제 공동 연구진은 일본 이화학연구소의 중이온 가속기 RIBF²⁾의 다중입자 측정 실험 장치³⁾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 장치를 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.

[그림] 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.

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)에 6월 23일 게재되었다.

IBS 홍보팀
백서윤

1) 보통 양성자 수는 원자 번호와 성질을 결정하고, 양성자 수와 중성자 수의 합은 원소의 질량을 결정한다.

2) RIBF (Radioactive Isotope Beam Factory) : 전 원소의 RI(방사성 동위원소 또는 희귀 동위원소)를 세계 최대 강도의 빔으로 발생시키는 최첨단 희귀 동위원소 가속기 시설.

3) 다중입자 측정 실험 장치: RIBF의 여러 장치 중 하나로 핵반응을 관측하기 위해 대형 초전도전자석과 다양한 검출기들로 구성된, 넓은 운동량 입체각을 가지는 자기 스펙트로미터. RI 빔이 표적과 반응하여 발생한 다양한 입자의 종류와 운동량, 궤적을 동시에 측정함으로써 원자핵의 구조나 반응을 연구함.