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- HIRFL의 중이온 가속기를 사용하여 아르곤 이온을 가속하고 베릴륨 표적에 발사
- 양성자 14개를 가진 실리콘 동위원소, 또 다른 안정적인 핵 상태를 보여준다.
- 매우 희귀한 핵은 한 번의 주입으로 약 세 개 정도만 포획
- 미미한 수율을 측정하기 위해 연구팀은 특수 질량 분석법 사용.
- 이를 통해 마침내 실리콘-22의 질량과 에너지를 최초로 측정하는 데 성공

원자핵: 새로운 마법의 수 발견
양성자 14개를 가진 실리콘 동위원소, 또 다른 안정적인 핵 상태를 보여줌

원자핵 내부 들여다보기:
물리학자들은 원자핵에서 양성자의 새로운 "마법의 수"를 발견했다. 이에 따르면, 실리콘-22 동위원소를 이용한 실험에서 밝혀진 것처럼 양성자 14개를 가진 원자핵도 특히 안정적이다. 이는 마법의 수에서 양성자와 중성자 사이의 대칭성을 확인시켜 준다. 물리학자들은 이전에 실리콘-22의 "거울 핵"인 산소-22에서 중성자의 마법의 수가 14라는 것을 밝혀냈다. 그러나 특정 개수의 원자핵 구성 요소가 더 안정적인 이유는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 

▲ 물리학자들이 원자핵의 양성자에 대한 새로운 "마법의 숫자"를 발견했다. ai생성 pixabay

현재 이론에 따르면, 원자핵은 내부 구조도 가지고 있다. 이 이론에 따르면, 원자핵은 원자 껍질의 전자 궤도와 유사하게 양성자와 중성자로 순차적으로 채워지는 양자역학적으로 결정된 "껍질"을 포함하고 있다. 양성자 또는 중성자의 "마법의 수"는 채워진 핵 껍질에 해당하며, 원자핵에 특별한 안정성과 구형에 가까운 모양을 부여한다. 잘 알려진 마법의 수로는 8, 20, 28, 50, 82, 126이 있다. 두 유형의 핵자 모두에 마법의 수를 가진 핵은 "이중 마법"으로 간주된다.

"거울 핵"이 눈앞에

이제 란저우에 있는 국립 중이온 연구소(HIRFL)의 Y.M. 잉이 이끄는 물리학자들은 양성자에 대한 또 다른 마법의 수를 발견했다. 그들의 실험은 최근 양성자 8개와 중성자 14개를 가진 원자핵인 동위원소 산소-22의 관측에서 시작되었다. 이 관측에 따르면, 적어도 중성자의 경우에는 14도 마법의 수다. 현재 이론에 따르면 핵자는 거울 대칭을 보이기 때문에, 14라는 숫자는 양성자에게도 마법과 같은 의미를 가질 수 있다는 가정이 성립한다.

잉과 그의 연구팀은 이를 검증하기 위해 산소-22의 핵 거울상인 실리콘-22를 더욱 면밀히 조사했다. 실리콘-22의 원자핵은 중성자 8개와 양성자 14개로 이루어져 있다. 그러나 중성자가 매우 부족한 이 실리콘 동위원소는 생성하기가 매우 어렵고, 적절한 방법을 사용하더라도 거의 생성되지 않는다. 게다가 반감기가 짧아 정밀한 측정도 어렵다.

가속기에서의 핵 탐색

실험을 위해 물리학자들은 HIRFL의 중이온 가속기를 사용하여 아르곤 이온을 가속하고 베릴륨 표적에 발사했다. 이 충돌 과정에서 일부 원자는 분열되어 더 가벼운 핵을 생성했고, 이 핵들은 다른 가속기 링으로 유도되어 자기장과 전기장에 의해 분리되었다.

잉과 그의 연구팀은 "이러한 매우 희귀한 핵은 한 번의 주입으로 약 세 개 정도만 포획되었다"고 설명했다. 이 미미한 수율을 측정하기 위해 연구팀은 특수 질량 분석법을 사용했다. 이를 통해 마침내 실리콘-22의 질량과 에너지를 최초로 측정하는 데 성공했다.

미묘한 차이를 지닌 이중 마법

잉과 그의 연구팀은 이를 통해 "실리콘-22는 거울핵인 산소-22와 유사한 이중 마법 구조를 가지고 있다"는 사실을 확인했다. 따라서 양성자의 경우, 이미 알려진 마법의 양성자 수인 8과 20 외에도 14가 마법의 수다. 흥미롭게도, 두 거울핵 모두 이중 마법을 가지고 있어 내부 구조가 유사해야 하지만 차이점도 존재한다. 물리학자들은 "거울핵인 22Si와 22O 사이의 에너지 차이는 거울 대칭에서 예측된 에너지 차이와 다르다"고 보고했다. 이는 실리콘-22의 양성자가 산소-22의 중성자보다 공간적으로 다소 더 확장되어 있다는 사실과 일치한다고 그들은 설명했다.

새로운 마법의 숫자와 이러한 미묘한 차이를 통해, 이 실험은 여전히 신비로운 원자핵의 내부 작용과 원자핵 구성 요소 간의 상호작용, 그리고 모든 물질의 기초에 대한 더 깊은 통찰력을 제공했다.

참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/ffwt-n7yc
출처: Chinese Academy of Sciences

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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