日 과학자들이 찾은 산소 동위원소, 물리학 이론 뒤집었다

도쿄공대 연구진, 중이온가속기로 ‘산소-28′ 검출
‘매직 넘버’ 이론과 달리 빠르게 붕괴
“과학계, 원자핵 구조 관련해 많은 의문 제기”

산소-28을 검출하는 데 사용된 일본 이화학연구소(RIKEN)가 보유한 중이온가속기./RIKEN

일본 연구진이 사상 최초로 이론으로만 존재했던 산소 동위원소를 만들었다. 이 동위원소는 기존 물리학 이론에 배치되는 모습을 보여줘 과학계에선 새로운 이론을 써야 한다는 주장이 나온다.

곤도 요스케 일본 도쿄공대 물리학과 교수 연구팀은 원자핵 내 양성자 8개와 중성자 20개를 가진 산소 동위원소 ‘산소-28′을 발견했다고 지난달 30일(현지 시각) 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 발표했다.

연구팀은 일본 이화학연구소(RIKEN)가 보유한 중이온가속기를 이용해 산소-28을 검출했다. 중이온가속기는 중이온을 엄청난 속도로 표적 물질에 충돌시켜 새로운 희귀원소를 만드는 장비다. 연구팀은 베릴륨 표적에 칼슘-48 동위원소를 발사해 불소-29 동위원소를 만들었다. 불소-29는 산소-28과 중성자 수는 같지만, 양성자는 한 개 더 많다. 불소-29를 다시 두꺼운 액체 수소 벽에 출동시켜 양성자 한 개를 떼어내 산소-28을 만드는 데 성공했다.

문제는 만든 산소-28 동위원소가 예상과 달리 불안정했다는 것이다. 산소-28은 만들어지자마자 붕괴했다. 자체 장비로는 측정이 어려워 독일 GSI 헬름홀츠 중이온 연구센터에서 최첨단 검출기를 들여와 실험해야 할 정도였다.

원소는 이론상 양성자와 중성자가 특정 개수로 존재할 때 원자핵이 안정적인 것으로 알려졌다. 반감기가 길어지는 양성자와 중성자의 수를 이른바 ‘매직 넘버’라고 부른다. 대표적으로는 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126개이며, 중성자와 양성자가 매직 넘버를 동시에 갖게 되면 ‘이중 마법’이라는 훨씬 안정적인 상태가 된다.

산소-28은 양성자 8개와 중성자 20개로 ‘이중 마법’에 해당하는 동위원소다. 이론대로라면 반감기가 느리게 나타나야 했다. 하지만 연구팀은 산소-28은 수명이 짧아 직접 관찰할 수 없었고, 대신 동위원소 붕괴 이후 남은 산소-24와 4개의 중성자를 검출할 수 있었다. 기존 원자핵 구성이론인 ‘매직 넘버’ 이론이 실제와 다르다는 것을 보여준 것이다.

나카무라 다카시 도쿄공대 연구원은 “이중 마법이 일어날 것이라고 생각했지만, 결과는 달랐다”며 “산소-28은 수명을 측정할 수 없을 정도로 이중 마법처럼 행동하지 않고 존재하자마자 바로 붕괴했다”고 설명했다.

산소-28 동위원소를 발견한 곤도 요스케 일본 도쿄공대 물리학과 교수 연구팀./Nature

매직 넘버 이론이 흔들린 것은 이번이 처음이 아니다. 매직 넘버에 포함되지 않은 중성자 수가 높은 안정성을 보인 사례도 있다. 리투파르나 카눈고 캐나다 세인트메리대 교수는 “2009년에는 매직 넘버가 아닌 숫자인 16개의 중성자가 8개의 양성자와 결합해 이중 마법처럼 안정적인 모습을 보인 연구 결과가 있다”고 밝혔다.

예상과 다른 모습을 보인 산소-28로 원자핵 구조와 관련된 물리학 이론에 대한 재점검이 필요하다는 주장도 제기된다. 네이처는 “산소-28의 혼란스러운 특성으로 원자핵을 하나로 묶는 힘에 대한 많은 질문이 제기되고 있다”며 “연구팀은 가까운 동위원소인 산소-30을 만들어 안정성을 비교 분석할 계획”이라고 전했다.

참고자료

Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-023-02713-3

Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6

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