4개 중성자만으로로 구성된 원자핵 관측…원자번호 0번 길 열어

[아이뉴스24 정종오 기자] 독일 다름슈타트 공과대학, 일본 이화학연구소, 기초과학연구원 등으로 구성된 국제 공동 연구팀은 ‘테트라(4를 뜻하는 그리스 숫자 표기) 중성자’로 불리는 4개의 중성자만으로 만들어진 핵의 증거를 확인했다.

이로써 ‘원자번호 0번(보통 양성자 수는 원자 번호와 성질을 결정하고 양성자 수와 중성자 수의 합은 원소의 질량을 결정)’ 세계의 길을 열었다.

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

물질을 구성하는 최소 단위인 원자는 중성자와 양성자로 이뤄진 원자핵과 전자로 구성돼 있다. 지금까지는 중성자만으로 이뤄진 원자핵은 존재하지 않았다. 중성자로만 구성된 결합 시스템으로 알려진 자연 현상은 중성자별(질량이 큰 별이 초신성 폭발을 일으킨 뒤 남는 천체로 중심부가 거의 중성자로 이루어져있음)이 유일하다.

양성자가 없는 원자핵의 존재는 이론적으로 제시됐는데 실험적으로 명확히 관측된 적이 없어 60년 동안 핵물리 연구 분야의 풀리지 않는 난제였다. ​

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

연구팀은 가속기를 통해 생성된 무거운 빔을 상대적으로 가벼운 표적에 충돌시켜 무거운 원자핵으로부터 일부 핵만 제거하는 방식으로 중성자 핵을 생성했다.

양성자를 1개도 포함하지 않는 이른바 ‘원자번호 0’의 기묘한 원자핵을 관측한 것이다. 수수께끼가 많은 초고밀도 천체인 중성자별의 이해를 위한 연결고리로 이어질 것으로 기대된다.

빔 생성 과정의 핵심멤버였던 안득순 박사는 “수십년 동안 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 연구 성과이며 세계적 프로젝트에 국내에서는 유일하게 IBS 연구진만이 참여해 교과서를 바꿀만한 발견에 힘을 보탰다”며 “앞으로 우리나라에서도 국내 우수한 연구팀이 IBS 중이온 가속기 연구시설을 활용해 우주의 미지 영역 탐구를 위해 끊임없이 노력할 것”이라고 말했다.

연구 성과(논문명: Observation of a correlated free four-neutron system)는 국제 학술지 네이처(Nature) 6월 23일자에 실렸다.

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