원자핵 비밀 엿볼 새로운 핵이론, 국제공동연구로 개발

기초과학연구원(IBS) 참여 국제공동연구팀, '네이처'에 발표

파동함수 맞춤 방법의 이해를 위한 간략한 도식. 기초과학연구원(IBS) 제공

다양한 원자핵의 성질을 정밀하게 계산 및 예측할 수 있는 새로운 방법론이 개발됐다. 국내 연구진이 세계 수십 명의 핵물리학자들과의 공동연구를 통해 이뤄낸 성과다. 이번에 개발된 방법론을 활용하면 가벼운 핵부터 무거운 핵의 성질을 정밀하게 계산할 수 있다. 중이온가속기 등 희귀동위원소 연구에서 큰 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 희귀핵연구단이 국제공동연구를 통해 다양한 원자핵의 결합에너지, 질량, 전하반지름 등 성질을 계산할 수 있는 ‘파동함수 맞춤’ 방법론을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구 결과는 이날 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다.

앞서 학계에선 핵의 성질을 규명하기 위해 계산 의도와 대상에 따라 적합한 모델을 사용했다. 핵력에 기반한 정밀한 계산은 가벼운 핵만을 대상으로 진행될 수 있었다.

학계는 원자핵의 양자역학적 상태를 나타내는 ‘파동함수’를 시공간격자상에서 ‘몬테카를로 방법(무작위 샘플링을 통해 수치값을 추출하는 컴퓨터 알고리즘)’으로 계산하는 방법을 연구해왔다. 하지만 수십 개 이상 핵자(핵을 이루는 기본입자)들로 구성된 무거운 핵의 경우 그 복잡성으로 계산이 사실상 불가능한 ‘몬테카를로 부호문제’가 발생하면서 핵 격자 유효이론을 적용할 수 없었다. 

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 짧은 거리에서 계산이 쉬운 파동함수를 주도록 핵력을 맞춰 변환하는 ‘파동함수 맞춤’ 방법론을 개발했다.

먼저 핵자 2개 사이에 작용하는 ‘2체힘’을 양성자와 중성자의 산란 실험 결과에 맞춰 정밀하게 결정했다. 여기에 파동함수 맞춤 방법을 적용해 유효범위에서 원래의 2체힘 핵력 모델과 같은 성질을 가지면서도 원자핵과 같은 양자 다체계의 계산에 적합한 형태로 변환했다.

또한 삼중수소(3H) 이상 핵의 질량을 설명하기 위한 ‘3체힘’ 핵력 모델을 약 20종 핵의 질량값을 이용해 결정했다. 이들 2체힘과 3체힘에 파동함수 맞춤 방법론을 적용한 핵격자계산을 통해 더 이상의 근사나 변수 조정 없이 다양한 핵에 대한 순수 이론적인 계산‧예측이 가능하게 됐다.

실제 파동함수 맞춤 방법론은 핵자의 성질을 정확하게 계산해냈다. 이 방법론을 사용해 핵자가 2개인 중양성자부터 58개인 니켈(Ni) 핵까지 다양한 안정핵의 결합에너지, 질량과 전하반지름을 계산한 결과 알려진 관측값과 일치했다. 희귀동위원소들의 결합에너지와 질량도 정밀하게 계산해냈다.

홍승우 중이온가속기연구소(IRIS) 소장은 “우리 과학자들이 참여해 만들어낸 새로운 파동함수 맞춤 방법론은 기존에 불가능했던 무거운 핵의 이론적 계산‧예측을 가능케 했을 뿐 아니라 핵의 다양한 성질들을 모두 잘 설명할 수 있는 핵력 모델을 제시한 것”이라며 “장차 중이온가속기 라온을 통한 희귀동위원소 연구에 유용하게 활용될 것”이라고 말했다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]