韓 연구팀 “원자핵 비밀 엿볼 새 이론 국제공동연구로 개발”

원자핵을 구성하는 양성자(빨간색)와 중성자(파란색)를 나타냈다. [사진=위키피디아]

한국 연구진이 포함된 국제 연구팀이 원자핵의 성질을 정밀하게 계산할 수 있는 방법론을 개발했다. 원자핵은 양성자와 중성자가 모여 이뤄진 입자로 결합에너지나 질량 같은 원자핵의 성질을 알아내는 것은 물리학계 염원이다. 향후 관련 연구에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

16일 기초과학연구원(IBS)은 ‘핵 격자 유효이론(Nuclear Lattice Effective Field Theory)’ 국제 공동연구팀이 다양한 원자핵의 결합에너지·질량·전하반지름 등 성질을 정밀하게 계산할 수 있는 ‘파동함수 맞춤’ 방법론을 개발해 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다고 밝혔다. 연구에는 송영호 IBS 중이온가속기연구소 연구위원팀을 포함해 미국 미시시피주립대, 프랑스 원자력연구소(CEA) 등의 연구팀이 참여했다.

물리학계에서는 원자핵과 이들 핵자 간 핵력에 대해 많은 연구를 진행해왔으나 다양한 핵의 성질을 핵자간 핵력만으로 설명하는 데에는 어려움이 있었다. 특히 수십 개 이상 핵자들로 구성된 무거운 원자핵의 성질을 설명하는 이론이 없었다. 송 연구위원은 “이는 슈퍼컴퓨터를 활용한 계산의 어려움과 정밀한 핵력 이론의 부재라는 두 가지 문제가 함께 존재하기 때문”이라며 “이에 기존에는 계산 의도와 대상에 따라 적합한 모델을 선택해 사용해 왔으며, 특히 핵력에 기반한 정밀한 계산은 가벼운 핵만을 대상으로 진행됐다”고 설명했다.

연구팀이 개발한 파동함수 맞춤 방법론은 원자핵의 양자역학적 상태를 나타내는 파동함수를 시공간격자상에서 ‘몬테카를로 방법’으로 계산한다. 몬테카를로 방법은 넓은 범주의 컴퓨터 알고리즘으로, 반복적인 무작위적 샘플링을 통해서 수치값을 추출하는 방법이다. 몬테카를로 방법은 무거운 핵의 경우 그 복잡성에 따라 ‘몬테카를로 부호문제’가 발생한다. 몬테카를로 부호문제는 양자계의 몬테카를로 방법 적용에 있어 그 구성 가중치가 음수 또는 복소수가 될 경우 데이터 획득의 복잡성이 기하급수적으로 증가하고 고전적 확률분포로의 해석이 불가능해지는 현상이다.

연구팀은 “몬테카를로 부호문제가 생겨 계산이 어려운 경우, 짧은 거리에서 계산이 쉬운 파동함수를 주도록 핵력을 맞춰 변환하는 방식으로 문제를 해결했다”며 “다양한 핵에 대한 순수 이론적인 계산과 예측이 가능하게 됐다”고 설명했다.

실제 연구팀은 이 방법론으로 핵자가 2개인 중양자부터 58개인 니켈(Ni) 핵까지 다양한 안정핵의 결합에너지, 질량과 전하반지름을 계산, 알려진 관측값과 일치하는 결과를 확인했다. 산소-24(²⁴O)까지 중성자 과잉 산소 희귀동위원소들의 결합에너지와 질량도 계산하는데 성공했다.

송 연구위원은 “핵의 결합에너지, 질량, 전하반지름, 핵물질 포화상태 등 다양한 성질들을 모두 잘 설명할 수 있는 핵력 모델을 제시한 것”이라며 “장차 중이온가속기 라온을 통한 희귀동위원소 연구에 유용하게 활용될 것이며 앞으로도 핵 격자 유효이론을 활용한 다양한 연구를 수행하겠다”고 밝혔다.

연구에 참여한 기초과학연구원(IBS) 연구진. 왼쪽부터 김명국 희귀핵연구단 박사후연구원, 김영만 희귀핵연구단 연구위원, 송영호 중이온가속기연구소 연구위원. [사진=IBS]