[김선기]중이온가속기와 대전니움

[사이언스 칼럼]김선기 기초과학연구원 중이온가속기구축사업단장

▲ 김선기 기초과학연구원 중이온가속기구축사업단장

“이번 정차할 역은 대전….” KTX를 타고 오면서 잠이 들었다가 지나가 버릴까 걱정하다 결국 선잠이 들고 말았다.

안내 방송을 들으며 선잠에서 깨어나며 문득 “그래, 대전니움이 어떨까?” 하는 생각이 들었다. 중이온가속기로 새로운 원소를 발견하면 어떤 이름을 붙일까라는 생각하다 잠이 든 모양이다. 중이온반응에 의해 인공으로 생성된 원자번호 110번 원소는 2003년에 다름슈타티움(Ds)이라고 명명됐다.

1999년 이 원소를 발견한 독일 중이온가속기(GSI)가 있는 다름슈타트는 일약 세계적인 도시가 되었다.

중이온가속기는 말 그대로 중이온을 빠르게 가속시키는 장치다. 이온은 전기적으로 중성인 원자에서 전자를 떼어내거나 추가로 붙여 전기적으로 양(양이온)이나 음(음이온)의 전하를 띠게 만든 것이다. 가장 가벼운 이온은 수소 원자의 핵인 양성자이고 수소 원자보다 무거운 원자들의 이온을 중이온이라 부른다.

입자가속기는 전기장을 이용하므로 중성인 원자는 가속하지 못한다. 무거운 원자를 이온으로 만들어야 가속시킬 수 있으니 중이온가속기가 된다.

입자가 빨라지면 에너지가 커지고 에너지가 더 크면 더 작은 입자를 깰 수 있어 더 작은 구조를 연구할 수 있다. DNA의 구조를 알게 되어서 유전자 치료가 가능하게 되고, 원자의 구조를 알게 돼 나노과학이 가능하게 되었듯이 원자보다 더 작은 핵의 구조를 잘 이해하면 차세대 원자력, 핵융합 등 에너지 문제 해결이나 암 치료, 신물질 연구 등 다양한 분야에 응용할 수 있다.

이러한 것들은 이미 많이 알려진 것들이고, 핵의 구조를 정확하게 알게 되면 지금은 모르는 응용이 가능해 질 것이다. 정작, 과학자들이 중이온가속기를 통해 알고 싶은 것은 핵의 구조를 이해해 우주의 신비를 밝히는 것이다.

자연에 존재하는 원소는 92종이고 이들로부터 우주 만물이 만들어 졌다. 이들 원소들이 어떻게 만들어 졌는가 하는 질문에 대해 현대과학은 매우 그럴 듯한 설명을 한다. 가장 양이 많은 수소와 헬륨 등 극히 가벼운 원소들은 태초에 빅뱅에서 생겨났다. 그러나 무거운 원소들이 생겨날 틈 없이 우주가 빨리 식었기 때문에 탄소나 산소와 같은 원소는 우주가 충분히 식어 별이 만들어질 때까지 오랜 시간을 기다려야만 했다. 별의 중심에서는 핵융합 반응이 일어난다. 지구에 생명현상을 가능하게 만드는 에너지는 태양 내부의 핵융합 과정에서 만들어 진다. 별은 가벼운 원소들의 핵융합을 통해 새로운 원소를 만드는 원소의 공장이다. 태양 정도의 별은 산소까지 만들고 이보다 무거운 원소 들은 더 큰 별에서 만든다. 그러나 철보다 무거운 원소는 별의 내부에서 핵융합으로 만들지 못한다. 이론 학자들은 이들이 초신성 폭발과 같은, 별이 죽는 과정에서 만들어 진다고 설명한다. 초신성 폭발시 방출되는 에너지는 은하에서 방출되는 에너지와 맞먹는다고 한다. 이러한 과격한 과정에서 중성자들을 빠른 속도로 잡아먹다 붕괴하며 새로운 원소를 만들어 낸다고 한다.

결국, 우리 몸에는 빅뱅에서, 별의 내부에서, 별의 죽음에서 생긴 원소들이 모두 들어 있으니 우주의 역사를 고스란히 간직하고 있는 셈이다. 그래서 우리가 우주를 끊임없이 돌아보고 연구하는 것은 아닐까?

이 과정을 연구하는 데 필요한 동위원소들은 수명이 짧아 가속기에서 만들어져 잠시 존재하기 때문에 이 과정을 규명하는 것은 매우 어려운 일이다. 자연적으로 존재하지 않는 이러한 동위원소들을 희귀 동위원소라고 부른다. 동위원소는 보통의 원소와 양성자 수가 같아 화학적 성질은 같지만, 중성자수가 달라 질량이 다른 원소다. 예를 들어 양성자 하나인 수소에 중성자를 하나 붙이면 질량이 두 배인 중수소가 되고 중성자를 하나 더 붙이면 삼중수소가 된다. 그러나 무한정 중성자를 붙일 수는 없다. 삼중수소는 12년이 지나면 반이 붕괴해 버린다. 미국과 러시아가 냉전 때 만들었던 수소폭탄은 엄청나게 비싼 쓰레기가 되었다. 현재까지 알려진 원소는 인공으로 만들어진 것을 포함해 110여 종에 불과하지만, 동위원소는 수천 종이 넘는다. 중이온 가속기는 희귀 동위원소를 만드는 공장이다. 희귀동위원소를 많이 만들어 내어 원소 기원에 대한 답을 찾아내고 새로운 원소를 찾아낼 것으로 기대한다.