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- 처음으로 티타늄-50 동위원소의 고에너지 빔으로 초중원소 리버모륨(116) 생산
- 미래에 플루토늄 대신에 티타늄 빔을 캘리포늄에 쏘면 120번 원소가 생성될 수 있다.
- 원소 120이 생성될 수 있다면 원소 116보다 약 10배 더 많은 시간과 충돌이 필요
- 초기 시험은 2025년에 시작

120번째 원소가 생성될까?
티타늄 빔은 주기율표 너머의 원소 생산 가능성을 열어준다.

핵물리학자들이 알려진 가장 무거운 원자 너머의 아직 발견되지 않은 원소인 120번 원소를 생산하기 위한 중요한 단계를 밟았다. 그들은 처음으로 티타늄-50 동위원소의 고에너지 빔을 사용해 초중원소 리버모륨(Livermorium 116)을 생산했다. 미래에 플루토늄 대신에 티타늄 빔을 캘리포늄에 쏘면 120번 원소가 생성될 수 있다. 이러한 일은 향후 몇 년 내에 일어날 것이다. 

▲ 원자번호 118인 오가네손 외에 주기율표에 원소가 있을까? 핵물리학자들이 알고 싶어하는 것이 바로 이것이다. © PeterHermesFurian

지금까지 주기율표에는 118개의 원소가 포함돼 있다. Oganesson은 원소표의 일곱 번째이자 마지막 주기를 완성했다. 하지만 그다음에는 무엇이 올까? 118번 요소 외에 다른 초중원소가 있을 수 있나? 핵물리학자들은 현재의 주기율표 너머에 안정성의 섬이 있을 수 있다고 의심한다. 이를 통해 더 무거운 원자라도 현재의 원자량 기록 보유자보다 다소 더 안정적이고 오래 지속될 수 있다. 우주에서도 알려지지 않은 초중원소가 의심된다.

이전에 "원소 제작자"는 무겁고 안정한 동위원소인 칼슘-48의 고에너지 빔을 사용해 새로운 초중형 원자를 만들었다. 그들은 이것을 플루토늄에서 위쪽으로 악티늄족 원소로 만든 판을 폭격하는 데 사용했다. 원자 충돌은 핵융합을 일으키고 새롭고 더 무거운 원소가 생성된다.

새로운 방법을 찾고 있다

그러나 문제는 원자 번호 119와 120의 원소에는 칼슘 빔이 충분하지 않다는 것이다. 이를 위해서는 타겟 플레이트로 아인슈타이늄(Einsteinium 원자 번호 99) 또는 페르뮴(100)이 필요하다. LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 Jacklyn Gates와 동료들은 "불행하게도 이 두 원소 중 어느 것도 적절한 목표를 만들기에 충분한 양으로 생산될 수 없다"고 설명했다. 이것이 바로 핵물리학자들이 이러한 원자를 생성할 수 있는 다른 원소 조합을 찾고 있는 이유다.

Gates와 그의 팀은 "여러 가지 실험 캠페인에서 다양한 원소 조합을 사용하여 원자 번호 119, 120 및 122의 새로운 원소를 만들려고 시도했지만, 지금까지 성공하지 못했다"고 말했다. 대부분 조합에서는 융합을 초래하는 원자 충돌이 자주 발생하지 않기 때문이다. 물리학자들은 충돌 단면적이 너무 작다고 말한다.

▲ 원소 120의 경우 티타늄 빔이 Californium 타겟 플레이트에 발사된다. © Jenny Nuss/Berkeley Lab

칼슘 대신 티타늄

이제 Gates와 그의 팀은 새롭고 더 유망한 방법을 개발하고 테스트했다. 이 경우 사용되는 원자빔은 일반적인 칼슘-48이 아니라 더 무거운 동위원소인 티타늄-50이다. 이것은 22개의 양성자를 가지고 있으므로 이론적으로 98개의 양성자를 가진 Californium-249로 만들어진 표적과 함께 융합하여 원소 120의 원자를 형성할 수 있다. 그러나 이를 위한 전제조건은 충분한 강도를 지닌 Titan 50 빔을 생성하는 것이다.

핵물리학자들이 이제 이 일을 하는 데 성공했다. 출발점은 자연적으로 발생하는 티타늄의 약 5%를 차지하는 동위원소 50Ti의 작은 조각이었다. 이것은 작은 오븐에서 기화되고 자기장 내의 마이크로파로 조사된다. 결과적으로 22개의 전자 중 12개가 원자핵에서 제거되어 매우 양전하를 띤 티타늄 이온이 생성된다. 이러한 무거운 이온은 입자 가속기에서 높은 에너지로 가속될 수 있다.

LBNL의 Damon Todd는 “티타늄은 많은 가스와 반응하고 이것이 이온 소스와 빔 안정성에 영향을 미치기 때문에 높은 입자 속도에서 티타늄 빔을 생성하는 것이 쉽지 않다는 것을 알고 있었다”고 말했다. 그러나 이것은 성공했다. 물리학자들은 초당 약 6조 개의 티타늄 원자가 회전하는 타겟 플레이트에 부딪히는 티타늄 빔을 만들었다.

▲ 핵 물리학자들은 티타늄 빔으로 요소 116을 만들었다. © Jenny Nuss/버클리 연구소

첫 번째 테스트로서의 요소 116

첫 번째 개념 증명 테스트로 팀은 이 티타늄 빔을 플루토늄 표적에 발사하여 116번 원소인 간모륨 두 개의 원자를 생성했다. Titan-50 빔을 사용하여 초중원소를 만든 것은 이번이 처음이다. Gates는 "이 합성 경로는 이전에 시연된 적이 없다"며 "하지만 요소 120을 만들기 전에 그것을 증명하는 것이 필수적이었다"고 말했다.

Gates의 동료인 Jennifer Pore는 "우리의 방법을 테스트하기 위해 아직 발견되지 않은 요소보다 더 가벼운 것을 만드는 중요한 첫 번째 단계였다"고 덧붙였다. “티타늄을 사용하여 요소 116을 생성함으로써 우리는 이 생산 방법이 효과가 있음을 입증했다. 또한 칼슘에서 티타늄 빔으로 전환할 때 원소 형성 속도가 어떻게 변하는지도 확인할 수 있었다.”

Element 120의 초기 시험은 2025년에 시작된다.

다음 단계에서 Gates와 그의 동료들은 원소 120을 생성하려고 한다. 그들은 현재 타겟 플레이트에 필요한 Californium-249를 생산하기 위해 계속 노력하고 있다. LBNL의 핵물리학부 책임자인 Reiner Kruecken은 “우리는 이것이 근본적으로 가능한 시설을 가지고 있다는 것을 보여주었다”고 말했다. “타겟팅, 쉴드, 컨트롤이 제대로 이루어지면 이 문제를 해결할 수 있다.”

첫 번째 실험은 이르면 2025년 시작될 예정이다. 현재 테스트에서 관찰된 충돌 단면을 기반으로 Gates와 그의 팀은 원소 120이 생성될 수 있다면 원소 116보다 약 10배 더 많은 시간과 충돌이 필요할 것으로 추정한다. 원소 210이 존재한다면 주기율표에서 8번째 행이 추가로 열릴 것이다.
(Nuclear Structure 2024, Physical Review Letters, 제출됨; doi: 10.48550/arXiv.2407.16079)
출처: DOE/로렌스 버클리 국립 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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