3분 읽기
- 원자 껍질에 있는 전자와 유사하게 원자핵에도 양자 역학적으로 결정된 "껍질"이 있다.
- 납 원자핵을 고속으로 가속된 중이온으로 쏘았다. 충돌로 인해 감마선 방출
- 핵심 진동에서 강한 8극자와 4극자 모멘트가 존재, 8극자와 4극자 모멘트 존재하는 타원형
- 이중 마법의 납 코어가 이론적 모델과 모순되는 이유는 아직 불분명

"매직" 리드 코어는 이론과 모순
닫힌 핵 껍질을 가진 가장 무거운 원자핵은 구형이 아니다.

가장 무거운 안정한 원자핵은 예상과 다르게 행동한다. 실험 결과, 동위원소 Pb-208은 완벽한 구형이 아니라 럭비공처럼 타원형인 것으로 드러났다. 이는 중성자와 양성자의 "마법의 수"를 가진 그러한 원자핵에 대한 이론적 모델과 모순된다. 그들은 특히 안정적이고 대칭적이어야 한다. Pb-208의 경우에 그렇지 않은 이유는 놀랍고도 당혹스러우며, 물리학에서는 이를 설명하는 데 어려움을 겪고 있다. 

▲ 동위 원소 납-208의 원자핵은 구형이 아니며, 럭비공과 비슷하다. 이는 일반적인 이론에 의문을 제기한다. © scinexx

원자 껍질에 있는 전자와 유사하게 원자핵에도 양자 역학적으로 결정된 "껍질"이 있으며, 이는 양성자와 중성자로 차례로 채워진다. 그러한 핵 껍질이 완전히 채워지면 원자핵은 특별한 안정성을 갖게 된다. 예를 들어, 양성자나 중성자의 "마법의 숫자"인 2, 8, 20, 28, 50, 82개가 그렇다. 동위원소가 두 개의 원자 구성 요소 모두에 완전한 껍질을 가지고 있다면, 그것은 더욱 "두 배로 마법적"이다.

Lead-208 – 특별한 의미를 지닌 헤비급 선수

가장 무거운 이중 마법 원자핵인 납 동위 원소 208Pb는 특별한 역할을 한다. 서리(Surrey) 대학의 잭 헨더슨과 그의 동료들은 "이 원자핵은 양성자의 경우 82, 중성자의 경우 126이라는 두 가지 마법의 숫자가 교차하는 지점에 있다"고 설명했다. 마법의 중성자 수 126은 빠른 중성자 포획을 통한 우주의 원소 형성에도 중요하다. 이 r-Process는 우주에 존재하는 모든 중원소의 약 절반을 담당한다.

▲ 현재의 이론에 따르면, 이중 마법 원자핵은 구형이어야 한다. © Oselote/ 게티 이미지

물리학자들은 "그러므로 이 핵 영역에서 원자핵의 속성을 이해하는 것이 중요하다"고 설명했다. 여기에는 납 동위 원소 208Pb의 핵이 어떻게 형성되는지에 대한 질문도 포함된다. 이 이론에 따르면, 이러한 이중 마법 원자핵은 구형이어야 하고, 열린 핵 껍질을 가진 원자핵은 변형되고 타원형일 가능성이 더 크다. 헨더슨과 그의 팀은 미국 아르곤 국립 연구소의 감마선 분광기를 사용해 납-208에서도 이런 현상이 일어나는지 조사했다.

물리학자들은 실험을 위해 납 원자핵을 고속으로 가속된 중이온으로 쏘았다. 고에너지 충돌로 인해 납-208의 원자핵이 자극을 받아 감마선이 방출되었다. 여기된 납 핵의 특성(모양 포함)은 스펙트럼에서 파생될 수 있다.

▲ 각운동량에 대한 총 에너지 표면 투영 (출처:관련논문 Deformation and Collectivity in Doubly Magic 208Pb / Physical Review Letters 134, 062502 (2025)

볼링공 대신 럭비공

놀라운 결과:
예상과 달리 스펙트럼 측정 데이터는 완벽한 구형 원자핵과 일치하지 않았다. 오히려 그 반대였다. 헨더슨과 그의 동료들은 "핵심 진동에서 강한 8극자와 4극자 모멘트가 존재한다는 것은 길쭉한 타원형 변형을 나타낸다"고 기술했다. 즉, 납-208의 원자핵은 럭비공처럼 길쭉한 회전 타원형이다. 헨더슨은 "우리가 본 것은 우리를 놀라게 했다"고 말했다. "결과가 핵 이론 모델과 직접적으로 모순되기 때문이다." 납-208은 두 배나 신비로운 물질이지만, 그 핵의 구성 요소와 그 상호 작용은 이전에 생각했던 것보다 덜 대칭적으로 분포된 것으로 보인다. 이는 물리학자들이 측정 데이터를 세 가지 다른 모델 접근 방식의 이론값과 비교했을 때도 분명하게 드러났다. 그 중 어느 것도 측정된 변형의 정도나 징후를 재현할 수 없었다.

▲ 평균값(점) 및 1σ(실선) 및 2σ(점선)에 해당하는 신뢰 영역 (출처:관련논문 Deformation and Collectivity in Doubly Magic 208Pb / Physical Review Letters 134, 062502 (2025)

"퍼즐을 우리에게 선물하다“

"실제로 납-208은 비교적 잘 연구되었지만 핵 구조 측면에서는 수수께끼를 안고 있다"고 연구원들이 말했다. 적어도 들뜬 상태에서는 이 가장 무거운 이중 마법의 원자핵은 예상과 다르게 행동한다. 서리 대학의 공동 저자인 폴 스티븐슨은 "우리의 고감도 실험을 통해 우리가 이해했다고 생각했던 것에 대한 새로운 정보가 밝혀졌다"고 말했다.

이중 마법의 납 코어가 이론적 모델과 모순되는 이유는 아직 불분명하다. 헨더슨은 "이제 추가 연구를 위한 흥미로운 새로운 길이 열렸다"고 말했다. 이론 물리학자들은 이미 핵 이론 모델을 검토하고 놀라운 결과에 대한 설명을 찾기 시작했다. 원자핵의 구조는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡할 수도 있다.
(Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.062502)
출처: Physical Review Letters, University of Surrey

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]