한인식 초빙석좌교수, 국제공동연구팀과 ‘테트라 중성자 핵’ 관측 성공
한인식(ishahn@ewha.ac.kr)
여러 개의 중성자만으로 원자핵을 구성하여 존재할 수 있다는 증거 확보
관련 논문 세계적 학술지 <Nature>에 발표
본교 과학교육과 한인식 초빙석좌교수와 당시 본교 물리학과 박사과정 학생이었던 김다히·박수연 박사가 참여한 국제공동연구팀이 4개의 중성자만으로 만들어진 원자핵이라는 새로운 현상 관측에 성공했다.
(왼쪽부터) 한인식 초빙석좌교수, 김다히 박사, 박수연 박사
이번 연구는 일본 이화학연구소(RIKEN)의 희귀동위원소 가속기 RIBF와 다중입자 측정 실험장치인 SAMURAI를 이용하여 양성자를 포함하지 않는 4개의 중성자가 원자핵을 구성하여 존재할 수 있다는 새로운 증거를 밝혀 학계에 주목을 받고 있다. 테트라 중성자의 증거를 확인한 이번 연구는 지난 6월 22일 세계 최고 권위 학술지 <Nature(IF=69.504)>에 발표됐다.
국제공동연구팀은 4개의 중성자만으로 만들어진 원자핵 ‘테트라 중성자 핵’을 관측하는데 성공함으로써, 양성자를 포함하지 않는 여러 개의 중성자가 원자핵을 구성하여 존재할 수 있다는 새로운 증거를 확보한 것이다. 이번 연구를 통해 양성자를 하나도 포함하지 않는 이른바 ‘원자번호 0’의 기묘한 원자핵이 관측됨에 따라 원자핵뿐만 아니라 더 나아가 원소의 안정성을 결정짓는 핵력의 모델을 크게 바꿀 가능성도 있다.
본교 연구진은 이번 실험의 전 과정에서 다중입자 측정 장치 성능평가 및 온라인 데이터 분석 등에 기여했다. 한인식 교수는 “김다히 박사, 박수연 박사와 함께 세계적인 프로젝트에 참여해 교과서를 바꿀만한 역사적인 발견에 힘을 보탰다”며 “향후 한국에서도 국내 우수한 연구진이 IBS 중이온 가속기 연구시설을 활용하여 우주의 미지 영역 탐구를 위해 끊임없이 노력할 것”이라고 말했다.
한인식 교수는 2019년 12월부터 기초과학연구원(Institute for Basic Science) 희귀 핵 연구단(Center for Exotic Nuclear Studies) 단장으로 있다. 희귀 핵 연구단은 핵들의 기본 성질, 우주 원소의 기원 규명, 새로운 희귀 원소 발견 등 희귀 핵에 대한 실험 및 이론 연구를 주도하고 있다.
[그림 1] RIBF의 SRC-BigRIPS와 SAMURAI 조감도
입자가속기인 링 사이클로트론(RRC), 초전도 링 사이클로트론(SRC)으로 가속된 1차 빔의 ¹⁸O 빔을 베릴륨(Be) 생성 표적에 조사하고, 2차 빔으로 ⁸He을 생성했다. 생성된 ⁸He 빔을 초전도 RI 빔 생성 분리 장치(BigRIPS)를 이용하여 분리하고, 분리된 빔을 다중입자 측정 실험장치(SAMURAI)의 표적 위치에 공급하였다.
[그림 2] 다중입자 측정 실험장치(SAMURAI 스펙트로미터)
초전도 RI 빔 생성 분리 장치(BigRIPS)로부터 전송된 ⁸He 빔의 통과 위치와 각도는 빔 궤도 검출기에 의해 결정된다. ⁸He 빔과 수소 표적 중의 양성자가 충돌하고, ⁸He 내의 ⁴He과 양성자(p)가 빠져나온다. 양성자와 ⁴He 핵의 산란 각도는 수소 표적 하류의 실리콘 검출기에 의해 결정되며, 에너지는 다중입자 측정 장치에 의해 고해상도로 측정된다. 한편 4개의 중성자는 실리콘 검출기와 다중입자 측정 장치를 통과하여 중성자 검출기에 의해 부분적으로 검출된다.
[그림 3] 8He 빔에서 4개의 중성자가 생성되는 과정
쳐내기 반응은 가벼운 원자핵과 무거운 원자핵을 충돌시켜, 무거운 원자핵으로부터 일부 핵자만을 제거하는 것을 말한다. 중성자 희귀 동위원소 헬륨-8 빔(양성자 수 2, 중성자 수 6)은 양성자 표적과 반응하여 헬륨-4(양성자 수 2, 중성자 수 2)과 양성자를 방출하여 4개의 중성자만으로 이루어진 테트라 중성자 핵을 관측한 것이다.