다양한 원자핵의 성질을 정밀하게 계산·예측할 수 있는 새로운 방법이 개발됐다. 이 방법은 무거운 핵에 대한 계산정확도를 높일 수 있는 것이 특징이다. 과학계는 입자가속기를 활용해 새로운 원소를 찾는 연구에 큰 도움을 줄 것으로 전망한다.

기초과학연구원(IBS)은 중이온가속기연구소(IRIS)와 희귀핵연구단 연구원들이 포함된 ‘핵 격자 유효이론’ 국제공동연구팀이 다양한 원자핵의 결합에너지 질량 전하반지름 등 성질을 정밀하게 계산할 수 있는 ‘파동함수 맞춤’ 방법론을 개발해냈다고 16일 밝혔다.

IBS에 따르면 학계에선 핵의 성질을 규명하기 위해 계산 의도와 대상에 따라 적합한 모델을 사용했다. 핵력에 기반한 정밀한 계산은 가벼운 핵만을 대상으로 진행될 수 있었다.

학계는 원자핵의 양자역학적 상태를 나타내는 ‘파동함수’를 시공간격자상에서 ‘몬테카를로 방법'(무작위 샘플링을 통해 수치값을 추출하는 컴퓨터 알고리즘)으로 계산하는 방법을 연구해왔다. 하지만 수십 개 이상 핵자(핵을 이루는 기본입자)들로 구성된 무거운 핵의 경우 그 복잡성 때문에 계산이 사실상 불가능한 ‘몬테카를로 부호문제’가 발생하면서 핵 격자 유효이론을 적용할 수 없었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 짧은 거리에서 계산이 쉬운 파동함수를 주도록 핵력을 맞춰 변환하는 ‘파동함수 맞춤’ 방법론을 개발했다.

핵자 2개 사이에 작용하는 힘을 정밀하게 측정한 후 여러개의 핵자들 사이의 상호 작용에 적용했다. 3개의 핵자 사이에 작용하는 ‘3체힘’도 같은 방식으로 적용해 계산 정확도를 높였다.

연구진은 이 방법론을 활용해 핵의 종류에 따라 변수를 조정하지 않고도 핵자가 58개인 니켈의 물리적 특성을 계산하는 데 성공했다. 결합에너지 질량 전하반지름을 계산해 실험 결과와 비교한 결과 두 값이 서로 일치하는 것으로 나타났다.

홍승우 IRIS 소장은 “파동함수 맞춤 방법론은 기존에 불가능했던 무거운 핵의 이론적 계산예측을 가능케 했을 뿐 아니라, 핵의 결합에너지 질량 전하반지름 핵물질포화상태 등 다양한 성질들을 모두 잘 설명할 수 있는 핵력 모델을 제시한 것”이라며 “장차 중이온가속기 라온을 통한 희귀동위원소 연구에 유용하게 활용될 것”이라고 설명했다.

고성수 기자 ssgo@naeil.com