별의 진화와 우주 원소 생성 메커니즘을 밝히는 데 중요한 아르곤-양성자 핵반응 모델 검증 실험이 국내 최초로 수행됐다.

기초과학연구원(IBS)은 한인식 희귀핵연구단(CENS, 단장 한인식)이 한국형 중이온가속기 라이온(RAON) 구축 사업 일환으로 1단계로 완성한 저에너지 가속 장치를 시범 운영 시범했다고 24일 밝혔다.

연구팀은 중이온가속기연구소(IRIS) 지원을 받아 쿨롱 장벽 근처 저에너지 영역에서의 아르곤과 양성자 탄성산란 데이터를 측정, 기존 핵반응 모델 한계를 실험적으로 확인하고 관련 데이터를 확보했다.

쿨롱장벽은 양전하를 띤 원자핵들이 서로 가까워질 때 형성되는 전기적 반발을 말한다. 또 탄성산란은 두 핵이 충돌할 때, 충돌 전과 후의 양자 상태가 동일하고, 운동 방향과 속도만 달라지는 산란 현상이다.

IBS 측은 "라이온 빔과 IRIS가 운영하는 코브라(KoBRA)를 통한 빔 제공과 CENS의 검출기 개발 능력, 데이터 분석·해석 역량이 결합돼 창출한 첫 물리 연구 성과"라고 말했다.

라이온 구축 사업은 1단계 저에너지, 2단계 고에너지 구간 구축으로 나뉜다. 저에너지 가속 구간은 지난 2011부터 2022년까지 1조 5,183억원(부지 3,571억원, 건설 6,384억원, 장치 5,228억원)을 들여 완공했다. 고에너지 가속 구간은 2027년 12월까지 선행 R&D 중이다. 2단계에서는 구축 착수 후 6년간 약 3000억원이 소요될 것으로 예상한다.

저에너지 가속 구간 첫 성과는 우주 반도체 분야로 이루어졌다. IRIS와 한국항공우주연구원이 지난 5월 우주반도체  관련 실험을 진행했다.

연구팀은 동위원소인 아르곤-40 빔을 코브라 실험장치에서 전송조건을 최적화하고, 수소 표적까지 안정적으로 전달했다. 빔 에너지를 쿨롱 장벽 근처의 저에너지 영역인 4.4, 5.9, 8.3 MeV/u MeV/u(원자질량단위(u)당 메가전자볼트)로 변환시켜 실험을 수행했다.

이어 자체 개발한 검출기를 이용해 산란된 양성자 각도와 에너지를 측정해 아르곤-40과 양성자의 저에너지 탄성산란 데이터를 확보했다.

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이 데이터를 기존 글로벌 광학퍼텐셜 광학퍼텐셜(핵과 핵 사이의 상호작용을 광학적 개념으로 설명하는 모델. 입자가 어느 방향으로 얼마나 산란되고 사라지는지 계산하는 데 사용) 계산값과 비교했다. 그 결과 기존 광학퍼텐셜은 이번에 측정한 저에너지 영역 산란 데이터를 제대로 재현하지 못하는 것으로 나타났다.

안성훈 연구위원은 “이번 연구결과는 향후 라이온을 활용한 저에너지 핵반응 연구, 희귀핵 구조, 핵천체물리 연구 등 다양한 분야에서 중요한 자료로 활용될 것"으로 기대했다.