IBS 등 4개국 연구진, 원자핵 질서 뒤집힌 '반전의 섬' 추가 발견

우리나라를 비롯한 이탈리아, 미국, 프랑스 등 4개국 연구진이 원자핵 구조가 뒤집히는 독특한 물리현상인 '반전의 섬'을 추가로 발견했다. 이는 물이 낮은 곳에서 높은 곳으로 흐르는 것과 유사한 현상이다. 기초과학연구원(IBS)은 희귀핵연구단 하정수 YSF가 3개국 연구팀과 그동안 중성자가 매우 많은 핵에서만 나타난다고 알려졌던 '반전의 섬(Island of Inversion)' 현상을 양성자와 중성자 수가 같은 '대칭 핵'에서도 처음 확인했다고 8일 밝혔다. 이 연구는 희귀핵연구단과 이탈리아 파도바 대학교, 미국 미시간 주립 대학교, 프랑스 스트라스부르 대학교 등이 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다. YSF는 IBS의 차세대 연구리더 육성 프로그램으로 영 사이언티스트 펠로우라고 부른다. 원자핵은 핵자(양성자와 중성자)가 여러 층의 껍질에 배치되는데, 통상 에너지가 낮은 껍질부터 채워지며 안정된 형태를 유지한다. 그러나 특정조건에서는 에너지가 높은 층의 껍질에 자리할 때 오히려 더 안정된 상태가 되는 역전 현상이 일어나는데, 이를 '반전의 섬'이라고 부른다. 기존에 알려진 '반전의 섬'은 ▲중성자 과다로 인한 껍질 간격 감소 ▲전통적 마법수의 에너지 장벽 낮아짐 ▲텐서(force) 및 스핀-궤도 상호작용의 변화 ▲중성자 비율이 높아지면 양성자·중성자의 궤도 상호작용이 변하면서 적층된 에너지 준위 재배열 등의 요인에 따라 발생하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어 전통적 핵껍질 모형에서는 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 등이 마법수로 불린다. 이 숫자에 해당하는 핵은 상대적으로 안정적이지만, 중성자 수가 극단적으로 많아지면 '반전의 섬' 현상이 발생한다. 연구팀은 몰리브덴-84와 몰리브덴-86이라는 중성자가 적은 두 희귀 핵을 비교한 결과 이같은 '반전의 섬'을 확인했다. 이들 두 핵은 양성자 수(42개)가 같고 중성자만 두 개가 차이(각각 42개, 44개)가 난다. 실험은 미국 미시간 주립 대학교 국립 초전도 사이클로트론 연구소(NSCL)에서 생성된 몰리브덴-84와 몰리브덴-86 방사성동위원소 빔을 표적에 충돌시키는 방식으로 진행됐다. 빔이 표적에 충돌하면 원자핵은 잠시 에너지를 머금은 들뜬 상태가 되고, 이후 감마선을 방출하며 다시 에너지가 낮은 본래의 안정된 구조인 바닥 상태로 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 되기 때문이다. 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. 연구팀이 이 데이터를 여러 핵 형태를 가정한 이론 계산과 비교한 결과 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. 하정수 YSF는 "이번 연구는 이러한 집단적 들뜸이 실제로 강한 변형과 구조 반전으로 이어진다는 것을 명확히 확인함으로써, 대칭 핵에서도 반전의 섬이 형성된다는 사실을 실험적으로 입증했다"고 설명했다. 연구팀은 또 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 상호작용이다. 이론 계산에서 삼핵자 힘을 제외하면 실험에서 관측된 강한 변형이 재현되지 않았기 때문에 연구팀은 이 삼핵자 힘이 반전의 섬을 형성하는 핵심 요소라고 분석했다. 실험데이터 분석을 주도한 하정수 YSF는 “이번 연구는 대칭 핵에서도 반전의 섬이 나타날 수 있음을 보여준 첫 사례"라며 "원자핵 구조 변화에 대한 기존 이론을 확장하는 중요한 발견이다. 희귀동위원소의 구조 예측 정확도를 높이고 새로운 핵모델 개발에도 큰 도움이 될 것”이라고 설명했다.