중원소 원자핵을 분열하는 획기적인 실험에서 이전에 관찰되지 않았던 입자 비율로 구성된 새로운 형태의 원자핵이 발견됐다. 

과학 전문매체 사이언스얼럿에 따르면 미국 미시간 주립 대학 올렉 타라소프(Oleg Tarasov) 박사가 이끄는 물리학자들은 백금 원자핵을 분열해 처음으로 희토류 원소인 툴륨, 이터비움, 루테튬의 새로운 동위원소를 발견했다. 

과학자들은 이번 연구를 통해 중성자가 풍부한 원자핵의 특성과 천체 충돌 과정에서 새로운 원소가 형성되는 과정을 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대했다.

아울러, 연구팀은 이 연구를 통해 2022년 6월 첫 실험을 수행한 미시간 주립 대학의 희귀 동위원소 빔 연구시설(FRIB)의 위력도 입증했다.

일반적으로 헬륨보다 무거운 원소를 중원소라고 한다. 대부분의 중원소는 별에서 일어나는 핵합성을 통해 생성된다. 즉, 초신성 폭발이나 중성자별 병합 등을 통해 중원소가 생성된다. 

모든 원소는 완전히 동일한 형태로 존재하지 않는다. 각 원자핵은 양성자와 중성자라는 원자핵의 여러 하위입자로 구성되어 있다. 

중원소 원자핵은 양성자와 중성자로 구성된다. 양성자와 중성자의 총 갯수를 핵자수라고 한다. 여기서 양성자의 갯수를 원자 번호라고 하며 원자번호는 원소를 구성하는 고유한 특징이다. 같은 원자번호지만 중성자 갯수가 다른 원자핵을 동위원소라고 한다. 

모든 원소는 다양한 안정성 수준을 가진 여러 동위원소를 가지고 있다. 일부 동위원소는 극히 빠르게 붕괴해 이온화 복사 폭발과 함께 가벼운 원소로 분해된다. 반면 안정적으로 존재하는 동위원소도 있다.

과학자들은 다양한 동위원소와 그 행태를 이해함으로써 우주가 어떻게 원소를 만드는 지, 시간과 공간에 걸쳐 이러한 원소들이 얼마나 풍부한 지 추정할 수 있다.

타라소프 박사팀은 새로운 동위원소를 합성하기 위해 120개의 중성자를 가진 백금 동위원소 198Pt로 실험을 시작했다. 표준 백금은 117개의 중성자를 가지고 있으며, 더 무거운 동위원소를 사용하면 원자핵 분열 방식을 변경할 수 있다.

연구팀은 이 원자를 중이온가속기를 사용해 원자핵을 조각내는 FRIB에 배치했다. 희귀 동위원소 빔은 빛의 절반보다 빠른 속도로 표적에 발사된다. 이 동위원소가 표적에 부딪히면 더 가벼운 동위원소 핵으로 부서지고 물리학자들은 이 동위원소를 검출하고 연구할 수 있다.

타라소프 연구팀은 198Pt의 분열 과정에서 각각 113개와 114개의 중성자를 가진 182Tm과 183Tm을 발견했다. 표준 툴륨은 69개의 중성자를 가지고 있다. 또한 각각 116개와 117개의 중성자를 가진 186Yb과 187Yb도 발견했다. 표준 이터비움은 103개의 중성자를 갖는다. 마지막으로 119개의 중성자를 가진 190Lu를 발견했다. 표준 루테튬은 104개의 중성자를 가지고 있다.

이러한 동위원소는 모두 가속기에서 여러 번 반복되는 실험에서 관찰됐다. 이는 FRIB가 이전에는 거의 연구되지 않았던 영역, 즉 중성자 수 N=126 이상의 중원소 풍부 동위원소 합성 연구에 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 그동안의 연구 부진은 관심 부족 때문이 아니라 이러한 동위원소를 생성하고 검출하는 능력 때문이었다고 연구팀은 지적했다.

이는 우주 현상에서 가장 무거운 원소가 어떻게 형성되는지 이해하는 데 기여할 수 있다. 우주에서 철보다 무거운 모든 원소는 초신성 폭발이나, 중성자별 간의 충돌 등 극한의 조건에서만 생성될 수 있다.

중성자별 충돌에서 일어나는 핵합성 과정 중 하나는 급속 중성자 포획 과정(r-process)이다. 이는 킬로노바 폭발 과정에서 방출되는 자유 중성자를 원자핵이 빠르게 흡수하여 더 무거운 원소로 변환되기 시작할 때 발생한다. 이 과정을 통해 금, 스트론튬, 백금과 기타 중금속이 생성된다.

연구팀은 이번 실험을 통해 r-process를 재현하는 데 매우 가까이 다가갔다고 주장했다. 이는 곧 우주에서 가장 폭력적인 사건 중 일부에서 관찰되는 핵합성 경로 중 하나를 복제할 수 있는 도구를 갖게 될 가능성이 있다는 것을 뜻한다.

연구팀은 "국립 초전도 사이클로트론 연구소에서 사용가능했던 에너지를 능가하는 매우 강렬한 1차 빔을 포함해 FRIB의 독특한 기능은 중성자 수 N=126 이상 영역을 탐색하는 데 이상적인 시설이다"고 설명했다.

또한 "FRIB의 연구원들은 이러한 반응을 이용해 새로운 동위원소의 특성을 생성하고 식별 및 특성을 연구함으로써 핵물리학, 천체물리학 및 물질의 기본적 특성에 대한 이해를 향상시킬 수 있다"고 말했다.

이 연구는 지난 2월 미국 물리학회에서 발행하는 주간 학술지 'Physical Review Letters(PRL)'에 발표됐다.