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- 500미터 길이 선형 가속기에서 FRIB( Facility for Rare Isotope Beams 희소 동위원소 빔 시설)은 무거운 원자핵을 광속의 절반 이상으로 가속
- 암에 대한 새로운 재료나 의학적 치료법 개발에 유용
- 동위원소는 해류 추적, 방사성 오염 감지, 유기체의 생리학적 과정 연구에도 도움

세계에서 가장 강력한 이온 캐논이 작동한다.
빔을 사용해 수백 개의 이국적인 동위 원소를 생산하는 시설

별 내부에서 새로운 요소는 어떻게 형성될까? 그리고 우주에는 어떤 원소와 동위원소가 있을까? 오늘부터 미국의 새로운 중이온 가속기가 이러한 질문에 새로운 답을 줄 것으로 기대된다. 희귀 동위 원소 빔 시설은 탄소 표적에 빛의 절반 속도로 무거운 원자핵을 쏠 것이다. 이는 현재 세계에서 가장 강력한 이온 빔이다. 이것은 기본적인 화학적 및 물리적 과정에 대한 귀중한 통찰력을 제공하는 새롭고 이국적인 동위 원소를 생성한다. 

▲ 희귀 동위원소 빔의 500미터 길이 중이온 가속기 시설에서 새롭고 이국적인 동위원소가 곧 생산될 수 있다.© Michigan State University

지금까지 과학은 118개의 화학 원소와 약 3천 개의 동위원소를 알고 있다. 원자핵은 양성자 수는 같지만 중성자 함량이 다르다. 특히 무겁고 수명이 짧은 원자 유형의 영역에서 많은 질문에 답이 없는 상태로 남아 있다. 주기율표에 알려진 가장 무거운 원소인 오가네손(oganesson) 외에 다른 원소가 있는지, 동위 원소가 몇 밀리초보다 오래 지속되는 어딘가에 "안정의 섬"이 있는지 여부는 불분명하다.

 

안정의 섬

해안에서 멀어질수록 물은 깊어진다. 여기에 단명​한 초중량 원소의 영역이 있다. 원자는 감지할 수 있을 만큼 충분히 오래 존재하지 않지만, 이 미지의 바다 한가운데 어딘가에 정령 사냥꾼들은 여전히 ​​안정된 섬이 있을 것이라고 생각한다. 핵물리학자들은 중성자가 풍부한 초중원소 동위원소로 구성돼 있으며, 이는 주변의 원자 변이체보다 더 안정적이다. 하이델베르그에 있는 막스 플랑크 핵 물리학 연구소의 클라우스 블라움은 "안정의 섬을 발견하면 원자핵에서 작용하는 힘의 본질, 즉 세상을 핵심으로 묶는 요소에 대해 많은 것을 배운다"고 설명했다. 

 

핵물리학자들은 중이온이 고에너지의 다른 원소에 발사되는 특수 가속기를 사용해 이러한 질문에 대한 답을 찾고 있다. 이러한 충돌은 희귀하고 희귀한 동위원소를 포함하여 새롭고 훨씬 더 무거운 유형의 원자를 생성한다. 그런 다음 그들의 속성은 새로운 요소가 우주에서 생성되는 과정(예: 별 내부 또는 초신성 폭발)에 대해 밝혀준다.

전 세계에서 가장 강렬한 이온빔

새롭고 특히 강력한 중이온 가속기가 이제 미국에서 작동을 시작한다. 500미터 길이의 선형 가속기에서 FRIB( Facility for Rare Isotope Beams 희소 동위원소 빔 시설)은 무거운 원자핵을 빛의 속도의 절반 이상으로 가속하고 초당 수조 개의 동위원소를 회전하는 탄소 디스크에 쏜다. FRIB 프로젝트 관리자인 Paul Mantica는 "빔 강도는 이전에 여기에서 달성할 수 있었던 것보다 1000배 더 높을 것이다"고 보고했다.

따라서 새로운 중이온 가속기는 완전히 새롭고 이국적인 동위원소를 생성하기 위한 전제 조건을 제공한다. 이온의 에너지가 높을수록 탄소 표적에 부딪히는 이온이 많을수록 원자핵융합이 일어나 새로운 원소와 동위원소가 생길 가능성이 높아진다. "잠재적인 새로운 발견에 대한 측정 기준 중 하나는 1차 빔의 강도이며 FRIB는 세계에서 가장 강력한 1차 빔을 가질 것이다"고 FRIB 연구소의 책임자인 Thomas Glasmacher가 말했다.

아직 알려지지 않은 수천 개의 동위원소

충돌에서 생성된 동위원소 혼합물은 4개의 전자기 분리기에 의해 구성 요소와 붕괴 생성물로 분리될 수 있다. 이를 통해 연구자들은 아직 알려지지 않은 새로운 동위원소를 구체적으로 검색하고 그들의 행동을 분석할 수 있다. FRIB를 운영하는 미시간 주립대학교(Michigan State University)에 따르면 이 시설은 우주에 존재하는 것으로 추정되는 모든 동위원소의 약 80%를 생산할 수 있다.

이것은 이미 알려진 약 3,000개의 동위원소에 수천 개를 더 추가할 수 있다는 의미다. 대부분은 지구에 존재하지 않는데, 그 이유는 예를 들어 초신성 또는 중성자별 충돌에서 소위 고속 중성자 포획 동안 우주에서 가장 에너지가 넘치는 과정에서만 발생하기 때문이다. 미시간 주립대학의 Artemis Spyrou는 "별 내부에는 매우 특이한 핵을 포함하는 과정이 있지만 지금까지 이러한 특이한 핵을 생성할 수 없었다"고 말했다.

기초 연구 및 실제 응용에 유용

연구원은 "이 시설에서 얻을 수 있는 새로운 정보의 양은 정말 어마어마하다. 우리는 이를 통해 기초 연구에 대한 새로운 통찰력을 확실히 기대한다"고 말했다. FRIB에서 생성된 동위원소는 기초 연구에 도움이 될 뿐만 아니라 매우 실용적인 용도가 될 것이다. 그들의 도움으로 예를 들어 암에 대한 새로운 재료나 의학적 치료법이 개발될 수 있기 때문이다.
동위원소는 해류 추적, 방사성 오염 감지, 유기체의 생리학적 과정 연구에도 유용하다.
출처: 미시간 주립대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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