[로이슈 전여송 기자] 수십 년간 풀리지 않았던 우주의 비밀이 드디어 모습을 드러냈다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 ALICE 국제공동연구팀(한국팀 대표 인하대학교 권민정 교수)이 유럽핵입자물리연구소(이하 CERN) 거대강입자가속기(이하 LHC)의 양성자간 충돌실험을 통해 중수소 생성 메커니즘을 실험적으로 규명했다고 23일 밝혔다.

재단에 따르면 ALICE란 유럽핵입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)를 이용한 국제공동프로젝트 중 하나로, ALICE 실험은 빅뱅 직후 백만분의 1초 후에 형성되었을 원시 우주를 재현하고 관찰함으로써, 우주 초기 물질의 생성과정과 상호작용을 밝히고 우주의 진화과정 및 강한 상호작용의 근본 원리를 이해하는 것을 목표로 한다. 40개 국가, 170개 기관의 1,900여 명이 참여하고 있으며 한국에서도 8개 기관, 52명의 연구자들이 참여하고 있다.

거대강입자가속기란 CERN에 위치한 세계 최대 규모의 핵입자 가속기로 납과 같은 중이온이나 양성자를 빛에 가까운 속도로 가속해 충돌시켜 초미시 세계를 연구한다. 중수소는 수소의 동위 원소 중 하나로, 일반적인 수소보다 무거운 원자를 뜻한다.

가벼운 원자핵인 중수소는 결합에너지가 수 MeV 수준으로 매우 약함에도 불구하고, 수백 MeV 이상의 에너지가 집중되는 초고온 강입자 충돌 환경에서 다량 생성되는 이상 현상이 관측되어 왔다.

원자핵이란 원자의 중심에 위치한 구조로 양성자와 중성자로 이루어지며, 핵력에 의해 결합되어 있다. MeV(Mega-electron Volt)란 전자 하나가 1V(볼트)의 전압을 거슬러 올라갈 때 얻거나 잃는 에너지를 뜻한다.

이는 쉽게 깨져야 할 약한 결합의 원자핵이 극한의 조건에서도 생성된다는 점에서 핵물리학의 중요한 미해결 문제로 남아 있었다.

연구팀은 CERN의 LHC에서 수행된 양성자–양성자 충돌실험에서 생성된 파이온과 중수소 쌍의 움직임을 정밀하게 분석, 입자들이 어떤 과정을 거쳐 형성됐는지를 추적했다.

특히 델타 공명입자가 붕괴하며 생성된 양성자와 중성자가 다시 결합할 경우, 그 흔적이 데이터에 뚜렷하게 남는다는 점에 주목했다. 델타 공명입자란 델타 중입자와 관련된 매우 짧은 수명의 입자들로, 고에너지 실험에서 관측되는 들뜬 상태의 입자다.

분석 결과, 관측된 중수소와 반중수소의 약 60%가 델타 공명입자가 붕괴된 이후 형성된 것으로 확인됐으며, 모든 공명입자 붕괴의 기여를 포함하면 그 비율은 약 90%에 이르는 것으로 나타났다.

이는 중수소가 충돌 과정에서 곧바로 만들어지는 것이 아니라, 공명입자 붕괴 후 생성된 입자들이 다시 결합하면서 형성된다는 점을 명확히 보여준다.

이번 연구는 가벼운 원자핵이 어떻게 형성되는지에 대한 최초의 직접적인 실험 증거를 제시함으로써 고에너지 핵물리학의 핵심 난제를 해결했다는 데 의의가 있다. 또한, 핵 생성 과정을 보다 정확히 기술할 수 있는 기반을 마련해, 우주물리와 천체물리 모델의 정밀도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

ALICE 국제공동연구팀의 한국팀 대표인 권민정 인하대학교 교수는 “이번 연구는 중수소 형성 메커니즘에 초점을 맞추었으나, 삼중수소와 헬륨 등 더 복잡한 원자핵에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다”며, “더 큰 규모의 충돌 환경에서 공명입자 붕괴가 핵 형성에 미치는 영향을 체계적으로 비교·검증해야 한다”고 덧붙였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 유럽핵입자물리연구소(CERN) 협력사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 12월 10일 게재되었다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr