"원자핵 생성 비밀 풀렸다"…중수소 생성 원리 첫 규명
공명입자 붕괴 후 중수소 생성 과정
수십 년간 풀리지 않았던 우주 초기 원자핵 생성 비밀이 밝혀졌습니다.
한국연구재단은 인하대학교 권민정 교수가 이끄는 ALICE 국제공동연구팀이 유럽입자물리연구소 의 거대강입자가속기(LHC) 실험을 통해 중수소가 만들어지는 과정을 처음으로 규명했다고 밝혔습니다.
중수소는 수소의 동위 원소로 결합 에너지가 매우 약해 수백 메가전자볼트(MeV)의 에너지가 집중되는 초고온 입자 충돌 환경에서는 쉽게 깨질 것으로 여겨져 왔습니다.
그런데도 이런 극한 조건에서 중수소가 대량 생성되는 현상은 핵물리학의 대표적인 미해결 문제였습니다.
연구팀은 LHC에서 양성자끼리 충돌할 때 생성되는 파이온과 중수소의 움직임을 정밀 분석했습니다.
분석 결과, 충돌 직후 만들어진 델타 공명입자가 붕괴되면서 생성된 양성자와 중성자가 다시 결합해 중수소를 형성한다는 사실을 확인했습니다.
실제로 관측된 중수소의 약 60%가 이 과정에서 만들어졌고, 다른 공명입자의 기여까지 포함하면 약 90%에 달했습니다.
이는 중수소가 충돌 순간에 바로 생성되는 것이 아니라, 공명입자 붕괴 이후 입자들이 다시 뭉치면서 만들어진다는 점을 실험적으로 입증한 첫 사례입니다.
이번 연구는 깨지기 쉬운 원자핵이 극한 환경에서 어떻게 형성되는지에 대한 최초의 직접적인 실험 증거를 제시함으로써 고에너지 핵물리학의 핵심 난제를 해결했다는 데 의의가 있습니다.
또 우주 초기 물질이 어떻게 형성됐는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 빅뱅 이후 원자핵 생성 과정을 설명하는 우주·천체물리 모델의 정확도를 크게 높일 것으로 기대됩니다.
권민정 교수는 "이번 연구는 중수소 형성 원리를 규명한 데 의미가 있다"며 "앞으로 삼중수소나 헬륨처럼 더 복잡한 원자핵에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다"고 말했습니다.
이번 연구는 결과는 국제 학술지, 네이쳐에 지난 10일 자로 실렸습니다.
김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr
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