찰나에 사라지는 희귀 원자핵 잡았다…RAON, 국내 첫 레이저분광 성공[과학을읽다]

반감기 짧은 희귀동위원소 핵 구조 정밀 분석 기반 확보
국내 첫 '인-빔 레이저분광' 구현…차세대 핵물리 연구 본격화

기초과학연구원(IBS) 중이온가속기 라온(RAON)에서 수명이 매우 짧은 희귀동위원소를 비행 상태에서 정밀 분석하는 레이저분광 실험이 국내 최초로 성공했다. 그동안 측정이 어려웠던 희귀 원자핵의 구조를 정밀하게 규명할 수 있는 기반이 마련되면서 RAON의 희귀핵 연구도 본격화될 전망이다.

IBS 중이온가속기연구소는 공군사관학교, IBS 희귀 핵 연구단, 고려대, 한국교원대, 한국원자력연구원 공동연구팀이 희귀동위원소 빔을 이용한 레이저분광 실험에 국내 최초로 성공했다고 30일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '저널 오브 인스트루멘테이션(Journal of Instrumentation)'에 게재됐다.

RAON의 CLaSsy 빔라인과 레이저 시스템. IBS 중이온가속기연구소 제공

초속 40만m로 날아가는 희귀핵 분석

희귀동위원소는 생성 직후 매우 짧은 시간 안에 붕괴하는 경우가 많아 핵 구조를 분석하기 어려운 것이 가장 큰 난제로 꼽힌다.

연구팀은 RAON의 동축 레이저분광 장치인 'CLaSsy(Collinear Laser Spectroscopy)'를 활용해 초속 약 40만m로 비행하는 희귀동위원소 빔과 레이저를 정확히 일치시키는 데 성공했다. 이를 통해 희귀동위원소가 붕괴되기 전에 에너지 준위를 측정하고 핵 구조 정보를 얻을 수 있음을 입증했다.

이번 실험에서는 온라인 생성분리(ISOL) 방식으로 만든 소듐(Na) 동위원소 빔을 이용해 장치 성능을 검증했으며, 다양한 짧은 반감기 희귀동위원소에도 동일한 방식의 정밀 측정이 가능함을 확인했다.

RAON 희귀핵 연구 본격화

연구팀은 이번 성과가 장비 성능 검증을 넘어 RAON에서 레이저 기반 희귀핵 연구를 본격적으로 수행할 수 있는 기반을 마련했다는 데 의미가 있다고 설명했다.

RAON 레이저 활용장치(레이저 분광 장치 CLaSsy와 레이저 이온원 RILIS). IBS 중이온가속기연구소 제공

박성종 IBS 중이온가속기연구소 연구위원은 "이번 성과는 CLaSsy 장치의 성능을 확인한 데 그치지 않고 중이온가속기에서 다양한 레이저 기술을 활용할 가능성을 입증한 사례"라며 "향후 레이저 이온원과 연계한 희귀동위원소 연구의 기반이 될 것"이라고 말했다.

유훈 공군사관학교 교수는 "레이저 기반 원자물리 기술이 정립되면 희귀동위원소의 측정 정밀도를 더욱 높일 수 있을 것"이라며 "RAON이 희귀핵 연구뿐 아니라 신소재와 방사선 반응 연구 등 다양한 분야로 활용 범위를 넓혀갈 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

권면 IBS 중이온가속기연구소장 직무대행은 "이번 성과는 국내 중이온가속기 시설에서 레이저 기술을 희귀핵 연구에 적용한 첫 사례"라며 "RAON이 첨단 레이저 기술을 접목한 세계적 수준의 가속기 연구시설로 발전하는 중요한 토대가 될 것"이라고 전했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr