고에너지 충돌로 ‘원자핵 형태’ 단서 찾아

미 연구팀, 상대성중이온가속기 활용
고에너지 발생시켜 원자핵 자극…핵충돌 순간의 입자 흐름-운동량
방출 물질에 적용해 형태 역추적… 원자핵 다양한 형태 알 수 있어
핵 분열 가능성 높은 원자 예측… 초기 우주 입자 난제 해결 기대

우라늄 원자핵이 충돌하는 모습과 이때 방출되는 입자의 궤적을 표현한 이미지. 우라늄 원자핵이 수축된 채로 빔의 방향을 따라 빛의 속도에 가깝게 이동하는 모습을 나타냈다. Chunjian Zhang, Fudan University, Jiangyong Jia, Stony Brook University 제공

과학자들이 전자를 가속시켜 무거운 원자핵과 충돌시키는 장치인 상대성중이온가속기(RHIC)를 사용해 원자핵의 세부적인 형태를 규명하는 시각화 기술을 개발했다. 관찰된 원자핵은 약간 찌그러든 축구공의 형태를 보였다. 관찰 축에 따라 형태에 미묘한 차이가 있다는 사실도 확인됐다.

이번 연구는 원자핵의 복잡하고 다양한 형태를 자세하게 알 수 있게 됐다는 의미가 있다. 원자핵의 형태를 알면 핵 분열에서 분열할 가능성이 가장 높은 원자가 무엇인지, 중성자별의 충돌에서 무거운 원자 원소가 어떻게 형성되는지 등 다양한 물리학 난제를 해결하는 실마리가 될 수 있다. 초기 우주를 구성하는 입자의 형성 조건을 찾는 데도 중요하다.

미국 브룩헤이븐국립연구소(BNL)가 운영하는 RHIC로 새로운 물질 상태 등을 연구하는 국제공동연구프로젝트 ‘스타 컬래버레이션(STAR collaboraton)’ 연구진은 RHIC를 사용해 원자핵의 형태를 다양한 축에서 관측한 결과와 관측을 가능케 한 고에너지 시각화 기술을 국제학술지 ‘네이처’에 6일(현지 시간) 발표했다. 이번 연구에는 한국의 세종대 연구진도 참여했다.

원자핵은 원자의 중심에 위치한 핵심 구조다. 양성자와 중성자로 구성돼 있으며 원자의 거의 모든 질량을 차지한다. 물질의 기본적인 구조와 물질이 상호 작용하는 메커니즘을 연구하는 데 중요하다. 원자핵의 양성자와 중성자는 강력한 핵력으로 결합돼 있다. 이 힘은 입자 간의 상호작용을 연구하는 데 필수적이다.

원자핵의 형태를 규명하는 것은 과학계의 주요 과제 중 하나였다. 기존에 사용되던 저에너지 시각화 기술은 원자핵을 다양하게 자극해 방출되는 빛의 입자를 관찰하는 방식으로 원자핵의 형태를 추론했다. 마치 사진을 촬영할 때 카메라 센서가 오랜 시간 빛을 받아들이게 하는 장기간 노출 촬영법과 같아 짧은 시간에 원자핵 내부에서 발생하는 양성자 배열의 미묘한 변화까지는 포착할 수 없었다. 원자핵의 정확한 형태를 다각도에서 관찰하는 데도 역부족이었다. 전자기의 상호 작용 활동을 활용하기 때문에 원자핵에서 전하를 띠지 않는 중성자를 관찰하기 어려운 것도 한계였다.

반면 연구팀이 개발한 고에너지 시각화 기술은 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자를 마치 동결된 것과 같은 상태에서 관측할 수 있다. 노출 시간이 짧은 사진 촬영법과 유사하다.

연구팀은 고에너지로 원자핵을 자극하는 RHIC에 주목했다. 앞서 RHIC는 전자를 가속시켜 무거운 원자핵과 충돌시키는 실험에 사용됐다. 무거운 원자핵일수록 양성자와 중성자의 내부 구성 요소이자 물질을 구성하는 가장 기본적인 입자인 ‘쿼크’와 쿼크를 매개하는 입자인 ‘글루온’의 방출 과정을 관찰하기 쉽다. 방출된 쿼크와 글루온은 고에너지에 의해 뜨거운 덩어리인 쿼크-글루온 플라스마(QGP)를 형성하게 된다. 이때 쿼크-글루온 플라스마는 충돌한 원자핵의 형태에 의해 결정된다.

연구팀은 이 과정을 ‘역추적’하는 방식으로 원자핵의 형태에 대한 데이터를 도출했다. 원자핵이 충돌할 때 발생하는 입자의 흐름과 운동량을 분석하고 이를 다양한 쿼크-글루온 플라스마 모양에 대한 유체역학적 모델링에 적용해 원래 충돌했던 원자핵의 형태에 도달했다. 연구팀은 이번 시각화 기술을 위한 유체역학적 모델링을 만드는 데는 2000만 시간 이상의 컴퓨터 작업을 통해 1000만 건 이상의 원자핵 충돌 데이터를 분석하는 작업이 필요했다고 설명했다.

연구팀은 “이번에 개발된 고에너지 시각화 기술로 우라늄의 원자핵을 관찰한 결과 3개의 관측 축에 따라 미묘한 형태의 차이가 확인됐다”며 새로운 관측 기술은 원자핵의 밝혀지지 않은 복잡한 구조를 규명하는 데 활용될 수 있다고 말했다.

박정연 동아사이언스 기자 hesse@donga.com