전하 반지름 정밀하게 계산... 원자핵 숨겨진 비밀 엿본다

희귀핵연구단, 새로운 '파동함수 맞춤방법론' 확립
기존 이론 보완..무거운 핵까지 질량, 전하반지름 계산

중이온가속기연구소 희귀핵연구단은 가벼운 핵부터 무거운 핵까지 다양한 원자핵의 성질을 정밀 계산할 수 있는 '파동함수 맞춤 방법론'을 제시했다. 사진은 파동함수 맞춤 방법론의 도식도. IBS 제공

양성자와 중성자로 이뤄진 다양한 원자핵의 성질을 정밀 계산할 수 있는 새로운 방법론을 국내 연구진이 주도해 제시했다.

기초과학연구원(IBS) 중이온가속기연구소 희귀핵연구단 연구팀은 국제공동연구팀과 함께 다양한 원자핵의 결합에너지와 질량, 전하 반지름 등을 정밀하게 계산할 수 있는 '파동함수 맞춤 방법론'을 개발했다고 15일 밝혔다.

이 연구결과는 국제 학술지 '네이처(16일자)' 온라인에 실렸다.

핵물리학계는 원자핵과 이들 핵자(핵을 구성하는 양성자·중성자)간 핵력에 대해 많은 연구를 해 오고 있으나, 다양한 핵의 성질을 핵자 간 핵력(양성자·중성자 등 두 개 이상의 핵자에서 작용하는 힘)만으로 설명하는 데 한계가 있었다. 특히 수십 개 이상의 핵자들로 구성된 무거운 원자핵의 성질은 복잡성 때문에 슈퍼컴퓨터를 활용해도 계산이 쉽지 않고, 정밀한 핵력 이론의 부재 등으로 제대로 설명하지 못하고 있다. 이로 인해 핵력에 기반한 정밀한 계산은 가벼운 핵만을 대상으로 해 왔고, 원자핵의 양자역학 상태를 나타내는 '파동함수'를 시공간 격자상에서 계산해 핵의 다양한 성질을 예측하는 '핵 격자 유효이론'을 적용해 왔다.

기존 핵 격자 유효이론은 계산자원을 적게 사용하는 장점이 있지만 핵자수가 많아지면 부호문제가 발생해 정확한 계산이 어렵고, 짧은 거리에서 서로 밀어내는 힘이 있을 경우 부호 문제가 발생하기 쉽다. 이 때문에 수십 개 이상 핵자로 구성된 무거운 핵의 경우 계산이 사실상 불가능해 핵 격자 유효이론을 적용할 수 없었다. 이런 부호 문제를 해결하기 위해 제시된 것이 파동함수 방법론인데, 현재까지 핵력을 정확하게 얻는 방법이나 핵력의 표준이론이 정립돼 있지 않고, 다양한 핵의 성질을 모두 설명하는 데 제약이 있었다.

연구팀은 핵자 2개 사이에 작용하는 '2체힘'을 양성자와 중성자의 산란 실험 결과에 맞춰 정밀하게 결정한 뒤, 계산이 쉬운 파동함수를 주도록 핵력을 맞춰 변환하는 '파동함수 맞춤방법'을 적용했다. 여기에 삼중수소 이상 핵의 질량을 설명하기 위한 '3체힘' 핵력 모델을 약 20종의 핵 질량값을 이용해 결정했다. 2체힘과 3체힘에 파동함수 맞춤 방법론을 적용한 핵격자계산을 통해 다양한 핵에 대한 이론적 계산과 예측을 가능케 변환했다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀은 이를 토대로 핵자가 2개인 중양자부터 58개인 니켈핵까지 다양한 핵의 결합에너지, 질량, 전하 반지름을 계산했고, 기존에 알려진 관측값과 일치하는 결과를 확인했다.

또한 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 슈퍼컴퓨터 5호기 '누리온'이 산소-24까지 중성자 과잉 산소 희귀동위원소들의 결합에너지와 질량을 정밀하게 계산해 냈다.

연구팀은 핵 격자 유효이론과 파동함수 맞춤방법을 핵 구조뿐 아니라 핵 반응 등 다양한 분야에 적용하기 위한 연구를 진행하고 있다.

홍승우 중이온가속기연구소장은 "우리 연구진이 주도로 개발한 새로운 파동함수 맞춤 방법론은 기존에 불가능했던 무거운 핵의 이론적 계산·예측을 가능케 하고, 핵의 결합에너지와 질량, 전하 반지름, 핵물질 포화상태 등 다양한 성질들을 모두 잘 설명하는 핵력 모델"이라며 "앞으로 중이온가속기를 활용한 희귀동위원소의 성질 규명 등에 커다란 기여를 할 것"이라고 말했다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr