양성자·중성자로 이뤄진 다양한 원자핵 성질을 정밀하게 계산·예측할 수 있는 새로운 방법론이 우리 과학자들이 참여한 국제공동연구로 개발됐다. 장차 중이온가속기를 활용한 희귀동위원소 연구에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
기초과학연구원(IBS·원장 노도영)의 중이온가속기연구소(IRIS·소장 홍승우), 희귀핵연구단(단장 한인식) 연구원들을 포함해 세계 수십 명 핵물리학자들이 참여한 '핵 격자 유효이론' 국제공동연구팀이 다양한 원자핵 결합에너지·질량·전하반지름 등 성질을 정밀 계산할 수 있는 '파동함수 맞춤' 방법론을 개발했다.
핵물리학계는 양성자·중성자로 이뤄진 원자핵 및 이들 핵자(핵을 구성하는 양성자·중성자)간 핵력에 대해 많은 연구를 진행했으나, 다양한 핵 성질을 핵자간 핵력만으로 설명하는 데에는 어려움이 있었다.
특히 수십 개 이상 핵자들로 구성된 무거운 핵의 결합에너지, 질량, 전하반지름 등 성질을 모두 잘 설명하는 이론은 없었는데, 이는 슈퍼컴퓨터를 활용한 계산의 어려움과 정밀한 핵력 이론의 부재라는 두 가지 문제가 함께 존재하기 때문이다.
이에 기존에는 계산 의도와 대상에 따라 적합한 모델을 선택해 사용해 왔으며, 특히 핵력에 기반한 정밀한 계산은 가벼운 핵만을 대상으로 진행돼 왔다.
국제공동연구팀은 원자핵의 양자역학적 상태를 나타내는 '파동함수(양자역학에서 양자 계의 상태를 나타내는 복소함수)'를 시공간격자상에서 '몬테카를로 방법(반복적인 무작위적 샘플링을 통해 수치값을 추출하는 방법)'으로 계산해 핵의 다양한 성질을 예측하는 '핵 격자 유효이론'을 연구해왔다.
그런데 수십 개 이상 핵자들로 구성된 무거운 핵의 경우 그 복잡성에 따라 '몬테카를로 부호문제'로 계산이 사실상 불가능한 까닭에 핵 격자 유효이론을 적용할 수 없었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해, 핵력이 다체계에서 몬테카를로 부호문제를 만들어 계산이 어려운 경우, 짧은 거리에서 계산이 쉬운 파동함수를 주도록 핵력을 맞춰 변환하는 '파동함수 맞춤' 방법론을 개발해냈다.
우선 핵자 2개 사이에 작용하는 '2체힘'을 양성자와 중성자의 산란 실험 결과에 맞춰 정밀하게 결정하고, 여기에 파동함수 맞춤 방법을 적용해 유효범위에서 원래의 2체힘 핵력 모델과 같은 성질을 가지면서도 원자핵과 같은 양자 다체계의 계산에 적합한 형태로 변환했다.
또 삼중수소 이상 핵의 질량을 설명하기 위한 '3체힘' 핵력 모델을 약 20종 핵의 질량값을 이용해 결정했다. 이들 2체힘과 3체힘에 파동함수 맞춤 방법론을 적용한 핵격자계산을 통해 더 이상의 근사나 변수 조정 없이 다양한 핵에 대한 순수 이론적인 계산·예측이 가능하게 됐다.
연구팀은 파동함수 맞춤 방법론으로 핵자가 2개인 중양자부터 58개인 니켈 핵까지 다양한 안정핵의 결합에너지, 질량과 전하반지름을 계산, 알려진 관측값과 일치하는 결과를 확인했다. 또한 산소-24까지 중성자 과잉 산소 희귀동위원소들의 결합에너지와 질량도 정밀하게 계산해냈다.
홍승우 IRIS 소장은 “우리 과학자들이 참여해 만들어낸 새로운 파동함수 맞춤 방법론은 기존에 불가능했던 무거운 핵의 이론적 계산·예측을 가능케 했을 뿐 아니라, 핵의 결합에너지, 질량, 전하반지름, 핵물질 포화상태 등 다양한 성질들을 모두 잘 설명할 수 있는 핵력 모델을 제시한 것으로, 장차 중이온가속기 라온을 통한 희귀동위원소 연구에 유용하게 활용될 것”이라고 기대를 밝혔다.
국제공동연구팀의 일원인 IRIS 송영호 연구위원은 “IBS IRIS의 핵물리 이론 연구자로서, 장차 희귀동위원소 연구에 큰 의미를 가질 중요한 국제공동연구에 기여하게 돼 자랑스럽다”며, “앞으로도 핵 격자 유효이론을 활용한 다양한 연구를 수행할 예정”이라고 의지를 밝혔다.
함께 연구팀에 참여한 희귀핵연구단 김영만 이론그룹리더는 “국내 연구자가 참여한 핵물리학 이론 논문이 네이처에 실린 것은 이번이 처음”이라며 “앞으로도 희귀핵연구단과 IRIS의 공동연구를 통해 많은 성과를 창출해 내기를 기대한다”고 말했다.
IBS 연구진은 이번 연구에서 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 누리온 슈퍼컴퓨터를 활용, 중성자 과잉 산소 희귀동위원소들의 결합에너지를 계산해냈다.
현재 핵 격자 유효이론과 파동함수 맞춤 방법을 핵의 구조 뿐 아니라 핵 반응과 같은 다양한 분야에도 적용하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 이는 향후 중이온가속기 라온의 중요 연구 목표인 희귀동위원소의 성질 규명에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
본 연구 결과는 5월 16일 0시(한국시간) 세계 최고 권위 국제 학술지 '네이처(Nature, IF 64.8)' 온라인판에 실렸다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
