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물리학계에는 오래된 궁금증이 있다. 중성자만으로 이뤄진 원자핵이 있을까. 자연계에 양성자만으로 구성된 원자핵은 있지만 중성자만으로 구성된 원자핵은 찾아볼 수 없다. 그런데 최근 국제공동연구팀이 중성자 4개로만 이뤄진 핵(테트라 중성자)을 관측하는 데 성공했다. 이번에 발견된 테트라 중성자는 핵물리학에 큰 전환점을 가져올 것으로 기대된다. 

원자는 물질을 구성하는 기본 입자다. 원자는 핵과 전자로 이뤄져 있다. 그리고 핵은 다시 양성자와 중성자, 두 종류의 핵자로 이뤄진다. 양전하를 가진 양성자와 전기적으로 중성인 중성자다. 사람의 눈으로는 절대 볼 수 없고 느낄 수도 없는 작은 공간에서 두 핵자가 만들어 내는 조화는 다채로우면서 신비하다.

원자 하나의 크기를 운동장이라고 생각한다면, 원자핵의 크기는 축구공 하나 정도에 불과하다. 이렇게 좁은 공간에 양성자와 중성자는 어떻게 모여 있을 수 있을까.

양성자들끼리는 자석의 같은 극처럼 서로 밀어내는 전자기력(척력)이 작용한다. 서로 밀어내는 자석을 뭉치게 하려면 자석의 힘보다 더 큰 힘이 필요하다. 전하가 같은 핵자를 뭉치게 할 때도 마찬가지다. 양성자 사이의 전자기력을 극복하고 원자핵을 구성할 수 있도록 하는 힘을 ‘핵자-핵자 상호작용’ 혹은 ‘잔류 강한 핵력’(본문에서는 간략하게 ‘핵력’으로 표현)이라고 한다.

지금껏 중성자 핵을 찾지 못한 이유

현재까지 발견된 모든 원소를 나열한 주기율표의 첫 시작은 원자번호 1번인 ‘수소(1H)’다. 수소는 양성자 하나가 원자핵을 구성한다. 양성자의 수명은 무한하기 때문에 자연계에서 안정적으로 존재할 수 있다.

만약 중성자만으로 구성된 원자핵이 있다면, 원자번호는 0번부터 시작했을 것이다. 하지만 중성자만으로 구성된 원자핵은 자연계에서 찾아볼 수 없다. 중성자는 양성자로 변하는 것이 더 안정적이기 때문이다. 중성자는 반감기(약 614초)가 지나면 절반이 양성자로 변한다. 

중성자가 원자핵 안에서 안정적으로 유지되려면 양성자와 함께 있어야 한다. 수소를 빼면 모든 원자의 핵에는 양성자와 중성자가 함께 있다. 가령 중수소(2H)의 핵은 양성자와 중성자가 각각 하나씩 있다. 중수소처럼 핵력으로 양성자와 중성자가 떨어지지 않고 안정한 상태를 유지하는 것을 ‘속박 상태’라고 한다.

중성자가 양성자와 함께 있을 때 속박 상태로 있을 수 있는 것은 고유 각운동량 덕분이다. 핵자들은 고유 각운동량이란 내재적 특성이 있다. 원자핵을 이루는 핵자들의 고유 각운동량 방향이 반대면 안정한 핵을 만들 수 있다. 반면 양성자-양성자 또는 중성자-중성자처럼 고유 각운동량의 방향이 같은 핵자로만 이뤄지면 속박 상태로 존재할 수 없다. 

물론 자연계에서 중성자만으로 구성된 구조가 전혀 없는 것은 아니다. 원자 단위보다 큰 규모에서는 중성자 위주로 이뤄진 시스템을 찾아볼 수 있다. 별의 진화 마지막 단계에서 초신성 폭발로 만들어지는 ‘중성자 별’이 대표적이다. 중성자 별은 중성자의 밀도가 매우 높다. 중성자 별의 강한 중력은 내부에서 중성자가 양성자로 변하지 않고 뭉쳐있게 한다. 

중이온 가속기에서 '10의-22제곱' 초간 존재한 중성자 핵

중성자만으로 이뤄진 핵이 존재할 수 있을지 여부는 핵물리학계의 오랜 궁금증 중 하나였다. 최근 이 질문의 답을 찾을 수 있는 증거가 발견됐다. 독일 다름슈타트 공대와 일본 이화학연구소(RIKEN), 한국 기초과학연구원(IBS) 희귀 핵 연구단 등 국내외 25개 기관으로 구성된 국제공동연구팀이 4개의 중성자만으로 만들어진 핵(테트라 중성자)을 관측하는 데 성공한 것이다.

테트라 중성자 연구에는 일본 이화학연구소의 RIBF (Rare Isotope Beam Factory) 중이온 가속기가 사용됐다. 첫 번째 목표는 일반적인 원자핵보다 중성자가 많은 ‘중성자 과다핵’을 만드는 것이었다. 중이온가속기에서 산소-18(18O) 이온을 베릴륨 금속에 충돌시켜 헬륨-8(8He)을 만들었다. 헬륨-8의 핵은 양성자 2개와 중성자 6개로 이뤄져있다. 자연계에 흔히 있는 헬륨(헬륨-4)보다 중성자가 4개 더 많다.

연구진은 헬륨-8을 양성자 표적과 충돌시켰을 때 헬륨-4와 테트라 중성자로 분리돼 약 3.8×10-22초라는 매우 짧은 시간 동안 중성자만으로 이뤄진 핵이 존재할 수 있다는 사실을 발견했다. 

테트라 중성자, 핵물리학의 큰 전환점 될 수도

새로운 발견은 늘 연구자들을 즐겁게 한다. 우리가 알고 있는 과학지식이 절대불변의 진리가 아니라는 것을 보여주기도 한다. 이번 발견은 핵력부터 중성자별의 모델까지 현대 물리학의 다양한 분야에 큰 변화를 가져올 수 있다.

특히 핵물리 분야가 가장 큰 전환점을 맞을 것으로 기대된다. 그동안 핵력을 계산할 때 중성자만으로 이뤄진 경우는 계산하지 않았는데, 테트라 중성자를 발견하면서 핵자 간의 여러 상호작용에 대해 더 넓게 연구해야 할 필요가 생겼다.

테트라 중성자의 존재에 대한 의문은 여전히 끝나지 않았다. 우선 테트라 중성자를 설명하기 위해서는 기존 핵력 이론을 크게 수정해야 한다. 또 테트라 중성자의 공명 상태가 중성자 때문이 아니라 다른 양자 물리학적 작용 때문에 나타났을 가능성도 고려해야 한다. 

새로운 발견이 기존의 과학적 이론과 다르다고 말하는 건 쉽지 않다. 과학적 이론을 수정하기 위해서는 다양한 증거가 튼튼하게 뒷받침되는 것이 꼭 필요하다. 따라서 지금껏 과학자들이 품은 의문을 해결하기 위해서는 여러 핵자 간의 힘을 고려한 이론적 모델과, 더 다양하고 정밀한 실험 결과가 필요하다. 새로운 실험 결과를 두고 핵물리학자들이 과연 어떤 해결책을 제시해나갈지, 앞으로 우리가 사는 세상을 이해하는 방법이 어떻게 바뀔지 기대된다. 
 

※필자소개

김다히, 안득순, 한인식
기초과학연구원(IBS) 희귀 핵 연구단에서 각각 박사후연구원, 연구위원, 연구단장으로 재직하고 있다. 2019년 출범한 희귀 핵 연구단은 희귀 핵과 무거운 원소의 특징과 기원 등을 연구하고 있다.