원자 내부에 숨겨진 자기력이 불가사의한 감마선을 설명할 수 있을지도 모른다.

희귀 동위원소 빔 시설(FRIB)에서 수행된 실험의 새로운 결과가 원자핵 구조에 대한 근본적인 질문에 답을 제시합니다. (사진 제공: FRIB)

수십 년 동안 핵물리학계의 난제로 남아 있는 이상한 질문이 있습니다. 왜 어떤 원자핵은 과학자들이 예상하는 것보다 더 많은 저에너지 감마선을 방출하는 것일까요?

희귀 동위원소 빔 시설(FRIB)이 주도하고 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL) 연구진이 참여한 새로운 연구가 그 해답을 제시할 수 있을 것으로 보입니다. 네이처( Nature )에 발표된 이번 연구 결과는 원자핵 구조에 대한 새로운 통찰력을 제공하며, 천체 물리학, 핵 에너지, 국가 안보 및 핵 감식 분야에 중요한 의미를 가질 수 있습니다.

감마선은 가시광선이나 전파처럼 전자기파의 한 형태입니다. 들뜬 상태의 원자핵이 방사성 붕괴 과정에서 에너지를 잃고 더 낮고 안정적인 상태로 전이될 때 방출됩니다.

오랜 감마선 미스터리

수십 년 동안 과학자들은 일부 핵이 예상치 못하게 많은 양의 저에너지 감마선을 방출한다는 사실을 관찰해 왔습니다. "저에너지 증강"으로 알려진 이 현상은 설명하기 어려웠습니다. 모든 핵에서 나타나는 현상도 아니고, 연구자들은 이 현상이 어디에서 발생할지 정확하게 예측할 수 없었습니다.

"이러한 저에너지 영역에서의 증강 현상은 이론적으로 예측되지 않았기 때문에 처음 관측되었을 때 연구계에 큰 충격을 주었습니다."라고 이번 연구의 주저자이자 FRIB 대학원생 출신인 엘리너 로닝은 말했습니다. "저에너지 영역에서의 증강 현상이 어디에서 발생하는지 예측하기는 어렵습니다. 어떤 핵에서 이러한 현상이 나타날지는 아직 알 수 없습니다."

이번 새로운 결과는 핵 내부의 자기적 전이가 이러한 효과의 원인이라는 강력한 증거를 제시합니다.

"이번 연구의 공동 책임자이자 LLNL의 전 박사후 연구원, 현재 오하이오 대학교 조교수인 안드레아 리처드는 "이번 결과는 중요한 진전입니다. 실험적 관찰과 이론을 연결하는 일관된 설명을 갖게 되었습니다."라고 말했습니다.

전기적 핵붕괴와 자기적 핵붕괴의 분리

이 미스터리를 풀기 위해 연구진은 방사성 구리 동위원소가 아연으로 붕괴될 때 발생하는 감마선을 측정했습니다. FRIB의 특수 장비와 기능을 통해 연구팀은 두 가지 서로 다른 붕괴 상태를 분리하여 개별적으로 조사할 수 있었습니다.

한 상태에서 붕괴는 전기적 전이를 수반했습니다. 구리가 변환됨에 따라 핵 내부의 양성자 위치가 이동했습니다.

두 번째 상태는 자기 전이를 수반합니다. 이 경우, 원자핵 내의 중성자와 양성자는 본질적으로 내부 자석의 위치를 ​​바꿉니다.

자기적 전이만이 감마선의 저에너지 증폭을 유발했습니다. 이 결과는 해당 현상이 자기적 성질을 띤다는 것을 보여줍니다.

로닝과 리처드는 공동으로 이 실험을 제안했습니다. 리처드는 박사후 연구원으로서 연구를 진행했고, 다른 LLNL 과학자들도 전문 지식을 제공하고 일주일 동안 24시간 내내 진행된 실험을 지속적으로 모니터링하는 데 도움을 주었습니다.

핵 과학 및 안보에 대한 함의

이번 연구는 단 하나의 핵에 초점을 맞췄지만, 연구진은 이번 결과가 훨씬 더 광범위한 원소와 반응에 걸쳐 핵 모델을 개선하는 데 도움이 될 수 있다고 밝혔습니다.

"이러한 발견을 바탕으로 개선된 이론을 활용하면 핵무기 비축량 성능에 대한 이해도를 높이고 과거 핵실험 결과 해석을 더욱 정확하게 할 수 있습니다."라고 저자이자 LLNL 과학자인 대런 블루엘은 말했습니다. "또한, 핵사고 발생 여부를 판단하고 가장 유력한 원인을 규명하는 핵 감식 능력도 향상시킬 수 있습니다."

이번 연구 결과는 과학자들이 별, 초신성, 중성자별 병합 과정에서 발생하는 핵반응, 특히 무거운 원소를 생성하는 반응을 더 잘 모델링하는 데 도움이 될 수 있으며, 핵에너지와 관련된 과정을 더 잘 이해하는 데에도 기여할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/08/260820202849.htm