원자핵 반지름 정밀 계산…IBS, 새 핵이론 네이처에 발표

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국내 연구진이 다양한 원자핵의 질량, 반지름 등 성질을 정밀하게 계산할 수 있는 새로운 핵 이론을 국제 학술지 ‘네이처’에 발표했다. 국내 연구자가 참여한 핵 연구가 네이처에 실린 것은 이번이 처음으로, 이번 성과가 향후 희귀동위원소 등 관련 연구에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

원자핵 반지름 정밀 계산…IBS, 새 핵이론 네이처에 발표
파동함수 맞춤 방법론에 따른 원자핵 에너지 측정 연구 관련 이미지. 사진 제공=IBS

국내 연구진이 참여한 국제공동연구팀이 원자핵의 비밀을 엿볼 수 있는 새로운 핵이론을 개발하는 데 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 산하 중이온가속기연구소와 희귀핵연구단 연구팀이 참여한 ‘핵 격자 유효이론’ 국제 공동 연구팀이 다양한 원자핵의 결합에너지, 질량, 반지름 등 성질을 정밀하게 계산할 수 있는 ‘파동함수 맞춤 방법론’을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구성과는 이날 세계 최고 권위의 국제 학술지 네이처의 온라인판에 게재됐다.

핵물리학은 원자를 이루는 양성자와 중성자 같은 핵자의 성질을 연구하고 응용할 방법을 찾는 학문이다. 핵자들이 서로 주고받는 힘인 핵력과 이를 통한 상호작용을 계산하면 첨단 소재를 포함한 물질의 성질도 규명할 수 있다. 기존의 핵 이론은 가벼운 핵에 대해서만 그 성질을 정밀하게 계산할 수 있다는 점에서 한계가 있었다. 핵이 무거워질수록 많은 핵자를 포함하고 그 만큼 계산이 복잡해지기 때문이다.

연구팀은 두 핵자 사이에 작용하는 힘을 우선 계산하고 이를 여러 핵자 사이의 힘 계산으로 확장하는 ‘파동함수 맞춤’ 방법론을 개발했다. 핵자 2개 사이에 작용하는 ‘2체힘’을 정밀하게 결정하고 파동함수 맞춤 방법을 적용해 양자 다체계의 계산에 적합한 형태로 변환했다. 또한 삼중수소 이상 핵의 질량을 설명하기 위한 ‘3체힘’ 핵력 모델을 약 20종 핵의 질량값을 이용하여 결정했다. 이 방법을 사용하면 근사나 변수 조정 없이 다양한 핵에 대한 순수 이론적인 계산‧예측이 가능하다. 연구진은 이를 통해 핵자가 58개인 니켈 핵까지 다양한 핵들의 결합에너지와 질량, 반지름을 계산한 후 이것이 기존 측정값과 일치한다는 사실을 확인했다.

연구팀은 이번 연구성과가 중이온가속기 ‘라온’의 희귀동위원소 성질 규명 등에 중요하게 활용될 것으로 기대했다. 홍승우 IBS 중이온가속기연구소장은 “새로운 파동함수 맞춤 방법론은 기존에 불가능했던 무거운 핵의 이론적 계산‧예측을 가능케 했다”며 “장차 라온을 통한 희귀동위원소 연구에 유용하게 활용될 것”이라고 말했다.

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