원자핵 비밀 풀 계산법 찾았다. 이제 '라온'이 움직일때

중이온가속기 가동 앞두고 연구 기반 마련
우주반도체 시험 등 역할 기대

중이온 가속기 ''라온' 전경

1조5000억원의 예산이 투입된 중이온가속기 ‘라온’이 본격적인 역할을 할 수 있는 계기가 마련됐다. 우리 과학자들이 국제공동연구를 통해 가벼운 핵부터 무거운 핵까지, 양성자·중성자로 이루어진 다양한 원자핵의 성질을 정밀하게 계산·예측할 수 있는 새로운 방법론을 제시한 만큼 중이온가속기를 활용한 희귀동위원소 연구에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 라온은 한국 기업들이 제조한 우주반도체를 시험하는 데도 큰 역할을 할 예정이다.

기초과학연구원(IBS) 중이온가속기연구소(IRIS)·희귀핵연구단 연구원들을 포함한 세계 수십 명의 핵물리학자가 참여한 ‘핵 격자 유효이론’(Nuclear Lattice Effective Field Theory) 국제공동연구팀이 개발한 ‘파동함수 맞춤’(Wave Function Matching) 방법론은 전 세계 중이온 가속기 연구진을 흥분케 하기에 충분했다. 다양한 원자핵의 결합에너지·질량·전하반지름 등 성질을 정밀하게 계산할 수 있는 이론이기 때문이다.

저에너지 가속장치와 고에너지 가속장치를 결합한 세계 최초의 중이온가속기인 라온은 우주의 생성과정을 밝히고 새로운 에너지원을 확보하는 단서인 희귀동위원소 발견에 필수적인 장비다. 중이온가속기에 대한 엄청난 투자 규모로 보유 국가가 한정적이다. 중이온가속기 시설이 마련됐다면 그에 상응하는 훌륭한 연구 재료도 필요하다. 이번에 개발된 파동함수 맞춤 방법론은 우리 중이온가속기의 실력은 물론 한국 기초과학연구의 수준을 한 단계 끌어올릴 수 있는 계기로 평가된다.

핵물리학계는 양성자·중성자로 이루어진 원자핵 및 이들 핵자(핵을 구성하는 양성자·중성자) 간 핵력에 대해 많은 연구를 진행해 왔으나 다양한 핵의 성질을 핵자 간 핵력만으로 설명하는 데에는 어려움이 있었다. 핵력에 대한 이론도 부재한 데다 현재 최고 사양의 슈퍼컴퓨터를 사용한다고 하더라도 계산의 한계가 있어 연구자들을 낙담케 했다. IBS 연구진은 이번 연구에서 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 누리온 슈퍼컴퓨터를 활용, 중성자 과잉 산소 희귀동위원소들의 결합에너지를 계산해냈다.

파동함수 맞춤 방법론은 짧은 거리에서 계산이 쉬운 파동함수를 주도록 핵력을 맞추어 변환한다. 연구팀은 파동함수 맞춤 방법론으로 핵자가 2개인 중양자부터 58개인 니켈(Ni) 핵까지 다양한 안정핵의 결합에너지, 질량과 전하반지름을 계산, 알려진 관측값과 일치하는 결과를 확인했다. 또한 산소-24(24O)까지 중성자 과잉 산소 희귀동위원소들의 결합에너지와 질량도 정밀하게 계산해냈다. 연구진에 따르면 이번 연구에서 적용된 핵력 또한 완전한 핵력 이론이라고 할 수는 없지만 핵의 여러 성질을 동시에 잘 설명할 수 있는 방법을 찾았다는 점에서 기존의 핵력 이론을 개선할 수 있는 힌트를 얻을 수 있을 것으로 기대되고 있다.

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 것"이라며 "장차 중이온가속기 라온을 통한 희귀동위원소 연구에 유용하게 활용될 것"이라고 말했다.

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.

이번 연구 결과는 5월16일 0시(한국시간) 세계 최고 권위 국제 학술지 ‘네이처(Nature, IF 64.8)’ 온라인판에 실렸다. 귀핵연구단 김영만 이론그룹리더는 "국내 연구자가 참여한 핵물리학 이론 논문이 네이처에 실린 것은 이번이 처음"이라고 설명했다.

라온은 지난해 말 저에너지구간 시운전을 마치고 6월부터 실험 가동에 들어간다. 이미 국내 연구자들로부터 핵물리학과 의생명과학, 육종과학 등 30편의 실험제안서를 받아 둔 상태다. 극한환경에서 성능을 확인해야 하는 우주 반도체도 중이온가속기를 통해 시험할 수 있다.

▲핵력:원자핵 내에 있는 양성자와 중성자와 같은 핵자 사이의 결합력

백종민 기자 cinqange@asiae.co.kr