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- 다양한 원소 측정에서 양성자-중성자 쌍은 이러한 단거리 상관관계의 약 95% 차지
- "정상적인" 쌍 관계에서 벗어나는 원자핵이 분명히 있다.
- 양성자-양성자 쌍과 중성자-중성자 쌍이 함께 상관 관계의 20% 차지

원자핵의 놀라운 쌍 형성
가벼운 원자에서 양성자는 필요한 것보다 더 많은 동일한 유형의 쌍을 형성한다.

분명히 가벼운 원자핵에서 놀라운 일이 일어나고 있다. 실험에서 밝혀진 것처럼, 원자핵에서 두 개의 양성자가 예기치 않게 종종 함께 모여 짧은 수명의 쌍을 형성한다. 여기서 그러한 쌍은 약 20%를 구성한다. 이전 측정에 따르면 최대 5%가 정상이다. 지금까지 물리학자들은 이 놀라운 효과의 원인에 대해 추측만 할 수 있었다. 

▲ 가벼운 핵에서 핵의 구성요소는 단명한 쌍을 형성할 수 있다. 두 양성자의 조합은 예기치 않게 자주 발생한다. © 제퍼슨 연구소

핵은 역동적인 장소다. 중성자와 양성자는 핵 안에서 경쟁하며 강력한 핵력을 통해 서로 상호 작용한다. 이것은 때때로 들뜬 핵 입자의 일시적인 조합을 생성한다. 무거운 원자핵의 경우, 이들은 2개의 양성자와 2개의 중성자로 구성된 수명이 짧은 헬륨 핵일 수 있지만, 핵자 쌍은 훨씬 더 일반적이다. 이 소위 단거리 상관관계(SRC: Short-Range-Corelation)에서 두 개의 핵심 구성요소는 서로 매우 강력하게 상호 작용해 구조가 잠시 겹친다.

홀수 쌍 선호

현재 이론에 따르면, 이러한 쌍 형성은 주로 서로 다른 핵 구성 요소 사이, 즉 양성자와 중성자 사이에서 발생한다. 탄소에서 납에 이르는 다양한 원소 측정에서 양성자-중성자 쌍은 이러한 단거리 상관관계의 약 95%를 차지했다. 물리학자들이 양성자와 양성자 또는 중성자와 중성자의 유사한 쌍을 식별할 수 있었던 경우는 극히 드물었다. 이 분포는 이전에 모든 유형의 원자핵에 유효한 것으로 간주됐다.

최근 버지니아에 있는 Thomas Jefferson National Accelerator Facility의 실험에서 놀라운 사실이 밝혀졌다. 이 "정상적인" 쌍 관계에서 벗어나는 원자핵이 분명히 있다는 것이다. 이전에 관찰된 것보다 훨씬 더 동일한 쌍의 두 양성자가 형성된다. Lawrence Berkeley National Laboratory의 수지에 리(Shujie Li)와 그녀의 동료들은 "우리는 더 무거운 핵에서 중성자-양성자 상관관계의 거의 완전한 우세에서 현저한 편차를 발견했다"고 보고했다.

▲ 삼중수소와 헬륨-3은 모두 3개의 핵심 구성요소를 가지고 있지만 양성자 또는 중성자의 비율이 다르다. © Jenny Nuss / 버클리 연구소

불타고 있는 "거울 핵“

연구를 위해 물리학자들은 원자핵에서 단명한 쌍을 추적하는 새로운 방법을 개발했다. 이를 위해 그들은 삼중수소(H3)와 헬륨-3의 핵에 전자를 가했다. 이러한 원자핵은 소위 거울핵(mirror nuclei)이다. 둘 다 3개의 핵입자로 구성돼 있다. 그러나 삼중수소는 2개의 중성자와 1개의 양성자를 가지고 있는 반면, 헬륨-3은 2개의 양성자와 1개의 중성자를 갖는다.

이 원자핵에 의해 반사된 전자의 방향과 에너지를 기반으로 과학자들은 이 핵에 수명이 짧은 쌍이 존재하는지 여부를 결정할 수 있다. "정지하거나 빠르게 움직이는 자동차의 앞 유리에 탁구공이 튀는 것과 같은 차이다"고 Lis 동료 John Arrington이 설명했다. 쌍의 특성은 이러한 측정의 전자 거동에서도 읽을 수 있다. 현재의 이론에 따르면 두 원자핵은 이전 측정과 같은 상관관계 비율을 보여야 한다.

예기치 않게 많은 동일한 쌍

그러나 측정 데이터는 다른 것을 보여주었다. 동일한 유형의 쌍의 비율은 두 개의 가벼운 원자핵에서 예상한 것보다 4배 더 높았다. 양성자-양성자 쌍과 중성자-중성자 쌍이 함께 상관 관계의 20%를 차지했다. Arrington은 "사실 우리는 단거리 상관관계를 보다 정밀하게 측정하고 싶었다. 이렇게 극적인 편차를 기대하지는 않았다"며 "이것은 이들 원자핵의 차이점에 대한 질문을 제기한다"고 말했다.

지금까지 물리학자들은 추측만 할 수 있었다. 한 가지 가능성은 핵 구성요소 사이의 거리가 역할을 한다는 것이다. 양성자와 중성자는 작고 가벼운 원자핵에서 좀 더 많은 역할을 하며, 이는 차례로 핵자의 상호작용에 영향을 미칠 수 있다. 연구팀은 이제 유사한 측정을 사용해 이것이 다른 가벼운 원자핵의 경우인지 여부를 알아내기를 희망한다. Arrington과 그의 동료들은 이미 제퍼슨 연구소의 가속기에서 리튬, 베릴륨, 붕소 및 일부 무거운 원소의 동위원소에 대한 단거리 상관관계를 측정하기 위한 또 다른 실험을 진행하고 있다.

입자 및 천체 물리학에 중요

"우리가 여전히 그러한 단순한 핵에서 놀라움을 발견한다는 사실은 정말 흥미롭다"고 Arrington은 말한다. "우리는 이것이 근거리에서 핵자들이 서로 어떻게 상호 작용하는지에 대해 무언가를 알려줄 수 있기 때문에 이것이 왜 그런지 이해하고 싶다." 원자핵의 과정을 이해하는 것은 모든 범위의 연구 영역과 과학 실험에 필수적이다. 입자 가속기 또는 검출기에서 충돌 시 소립자의 거동에 영향을 미치기 때문이다.

핵심 구성요소의 동작은 천체 물리학에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어 태양에서의 핵융합뿐만 아니라 중성자별 내부의 과정에서도 마찬가지다.
(nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05007-2)
출처: Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Lawrence Berkeley 국립 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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