IBS 희귀핵연구단 "동위원소 산소-28은 부재…새로운 희귀동위원소 찾을 것"

한인식 IBS 희귀핵연구단 단장이 14일 서울역공학철도 AREX1 회의실에서 강의를 하고 있다.

기초과학연구원(IBS) 희귀핵연구단이 해외 공동연구를 확장하고 새로운 희귀동위원소를 찾겠다는 목표를 제시했다. 지난 5월 시운전에 성공한 중이온가속기 '라온(RAON)'을 2025년 완공하고 희귀동위원소를 찾는 연구에 적극 나서겠다는 것이다. 

연구단은 2019년 12월 출범해 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19) 팬데믹과 역사를 같이 했다. 한인식 연구단 단장은 “코로나19 역사와 연구단 역사가 정확하게 일치한다”며 “코로나19로 해외 공동연구나 실험에 차질을 빚고 어려움이 있었지만 검출기 개발 및 방향성을 잡아 현재 27명의 연구원이 연구를 하고 있다”고 말했다. 

자연을 구성하는 기본 단위인 원소는 원자핵과 전자로 구성되며, 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 나뉜다. 양성자 수는 입자의 화학적 성질을 결정한다. 양성자 숫자에 따라 산소가 되기도 하고, 질소나 철, 금이 되기도 한다. 

원소 중 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 쌍둥이 원소가 있다. 이를 ‘동위원소’라고 하는데, 아직 발견되지 않은 ’희귀동위원소’들이 있다. 희귀동위원소를 발견하면 기초과학에 새로운 지식을 더할 수 있다. 우주, 진화 등의 비밀을 푸는 하나의 열쇠가 된다.

희귀 원자핵을 찾는 작업은 쉬운 일이 아니다. 안정적인 핵은 양성자와 중성자가 균형을 이루지만, 희귀 핵은 중성자가 과잉 상태로 불안정해 존재하는 순간이 짧다.

최근에는 일본 연구진이 희귀동위원소 산소-28 찾기에 나섰지만 '존재하지 않는다'는 결론을 내리기도 했다. 곤도 요스케 일본 도쿄공대 교수가 주도하고 IBS의 희귀핵연구단 소속 연구자 3명이 참여한 연구다. 

국제학술지 ‘네이처’에 지난달 30일 발표된 이 연구는 양성자 8개와 중성자 20개로 구성된 마법수(2, 8, 20, 28, 50, 126) 2개를 가진 원소 산소-28을 찾는 연구 내용이 담겼다. 마법수를 가지는 원자핵은 다른 핵보다 안정적인 것으로 알려져 있어 양성자와 중성자가 모두 마법수인 ‘이중 마법수’ 산소-28이 존재할 것으로 생각했지만 실험 결과는 달랐다.

한 단장은 “산소-28이 생기자마자 붕괴했다”며 “결론적으로 산소-28이 잠깐 관찰되긴 했지만 ‘없다’고 보는 게 맞다는 결론을 내렸다”고 말했다. 그만큼 새로운 동위원소를 찾는 일은 어려운 일이라는 설명이다.

연구단은 지난해 네이처를 통해 양성자가 없는 기묘한 원자핵인 ‘테트라 중성자’를 관측했다는 논문도 발표했다. 4개의 중성자로만 이뤄진 원자핵을 관찰한 것인데 아직 추가 검증이 필요하다. 단장은 “4개의 중성자가 잠시라도 뭉쳐있는 현상을 봤다”며 “테트라 중성자의 존재가 증명된다면 주기율표와 교과서가 바뀌게 될 것”이라고 말했다. 

연구단은 희귀 원자핵 찾기를 본격화하기 위해 해외 공동연구를 확장하고, 라온 완공을 목표로 지속적인 희귀 원자핵 탐색에 나선다는 목표다. 한 단장은 “IBS는 해외에서 부러워할 정도의 고가 장비를 갖추게 됐다. 내년부터는 훨씬 바빠질 것”이라며 “희귀 동위원소 빔과 최첨단 검출기를 사용해 희귀 핵의 성질을 실험적으로 밝히는 데 선도적 역할을 할 것”이라고 말했다. 

[문세영 기자 moon09@donga.com]