물리학 '매직넘버' 이론 뒤흔든 산소 동위원소 발견

도쿄공대 "원자핵 구조 이론 다시 쓸 수도"

일본 도쿄공대 연구팀이 발견한 산소동위원소는 기존 물리학에 통용되던 '매직넘버' 법칙에 들어맞지 않았다. 게티이미지뱅크 제공

일본 과학자들이 중이온가속기(RIBF)를 사용해 이론상으로만 존재했던 산소 동위원소를 만들어내는 데 성공했다. 새롭게 만들어낸 동위원소는 그간 학계에서 통용되던 원자 구성에 대한 이론과 어긋나는 성질을 보였다. 과학계는 원자핵 구조 이론을 다시 써야 할 수도 있다며 흥분감을 표했다.

곤도 요스케 일본 도쿄공대 교수 연구팀은 원자핵 내에 양성자 8개와 20개의 중성자를 가진 산소동위원소인 '산소-28'을 발견한 연구 결과를 30일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 발표했다. 

앞서 과학자들은 원자핵 안에 일정한 수의 양성자나 중성자를 가진 원소에 주목했다. 이론상 양성자나 중성자가 특정 개수만 존재할 때 원자핵은 훨씬 안정적이기 때문이다. 반감기가 긴 안정적인 상태를 이룰 수 있는 양성자나 중성자의 수는 이른바 '매직 넘버'라고 불렸다. 대표적인 매직 넘버는 2, 8, 20, 28, 50, 126이다.

이번 연구는 매직 넘버를 갖는 산소동위원소를 발견하는 것이 출발점이었다. 연구팀은 중이온 가속기를 사용해 칼슘-48 동위원소를 금속 베릴륨 표적에 충돌시켰다. 이어 불소-29 동위원소를 두꺼운 액체 수소 벽에 충돌시켜 원자핵에서 양성자 1개를 떨궈내 산소 동위원소를 만들어냈다.

문제는 이렇게 만들어진 산소동위원소가 당초 예상했던 것처럼 안정적이지 않았다는 것이다. 만들어지자마자 빠르게 붕괴했다. 독일 중이온가속기연구소(GSI)에서 빌린 강력한 검출기를 사용해 중성자 4개가 동시에 존재하는 상태를 간신히 관찰했을 정도였다. 연구팀은 "안정적인 상태가 관찰될 것이라 생각했지만 실험 결과가 우리에게 보여준 사실은 달랐다"고 말했다. 

과학자들은 원자핵 구성이론의 정설로 여겨지는 '매직 넘버' 이론을 흔드는 연구 결과가 이번이 처음이 아니라고 밝혔다. 리투파르나 카눈고 캐나타 세인트메리대 교수는 "2009년에는 '매직 넘버'에 포함되지 않는 숫자인 16개의 중성자가 8개의 양성자와 강하게 결합하며 안정적인 모습을 보인 연구 결과가 있다"고 말했다. 

네이처는 "이번 연구 결과가 발표되면서 원자핵 구성 이론에 대해 전반적인 의문이 제기되고 있다"며 "재현 실험이 성공한다면 물리학자들은 원자핵 구성 이론을 다시 써야할 수도 있다"고 논평했다. 곤도 교수 연구팀은 후속 연구를 통해 산소-30 동위원소 검출을 시도할 계획이다. 산소-28의 '이웃'과 같아 비교분석에 적합할 것이란 설명이다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]