HIAF 첫 물리 성과…하프늄-153 이온 10개로 원자핵 존재의 한계에 다가서다

중국의 **강입자 중이온 가속기 시설(HIAF·High Intensity heavy-ion Accelerator Facility)**이 가동 시험 단계에서 첫 물리 성과를 냈다. 연구진은 지금까지 보고되지 않았던 희귀 핵종 하프늄-153(^153Hf)을 만들어 식별했으며, 확인된 이온은 단 10개였다. 이번 결과는 HIAF가 원자핵이 더 이상 안정적으로 존재하기 어려운 경계 영역까지 탐사할 수 있음을 보여준다.

HIAF의 첫 성과, 무엇이 확인됐나

HIAF는 중국 광둥성 후이저우에 세워진 대형 중이온 연구 시설이다. 희귀한 방사성 원자핵을 만들고, 생성물 가운데 원하는 핵종을 분리한 뒤, 그 질량과 성질을 정밀하게 측정하는 것이 주요 목적이다. 이를 통해 과학자들은 원자핵이 어디까지 존재할 수 있는지, 그리고 양성자와 중성자의 비율이 극단적으로 달라질 때 핵 구조가 어떻게 변하는지를 살핀다. HIAF는 2026년 7월 21일 시험 운전에 들어갔다.

이번 연구는 중국과학원 근대물리연구소가 주도했다. 중국과학원대학교, 독일 GSI 헬름홀츠 중이온연구센터, 독일 쾰른대학교, 화동이공대학교, 광둥성 선진에너지과학기술연구소가 공동 연구에 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 《Science Bulletin》에 단편 논문(short communication) 형태로 발표됐다.

하프늄-153이 중요한 이유

하프늄-153은 무거운 원자핵 가운데서도 중성자가 매우 부족한 영역에 속한다. 원자핵은 양성자와 중성자가 강한 핵력으로 결합해 만들어지지만, 이 균형이 크게 무너지면 핵은 쉽게 붕괴하거나 더 이상 묶여 있기 어려워진다.

이번 실험 전까지 하프늄-153은 관측 사실이 보고되지 않았다. 따라서 이 핵종의 존재를 확인하고 질량을 측정한 것은 핵질량 모델을 검증할 수 있는 새로운 실험 데이터가 된다. 특히 안정성의 경계로 갈수록 핵 구조가 어떻게 바뀌는지 이해하는 데 도움이 된다.

측정 결과에 따르면 하프늄-153은 결합된 핵 또는 약하게 결합된 핵으로 해석된다. 이는 여러 핵질량 모델의 예측과 대체로 일치한다. 물론 한 번의 측정만으로 하프늄-153을 둘러싼 모든 이론적 문제를 해결할 수는 없지만, 직접 관측이 어려운 희귀 핵종을 예측하는 이론을 점검하는 중요한 기준점이 될 수 있다.

비스무트 빔과 흑연 표적으로 핵종을 만들다

실험은 HIAF의 부스터 링에서 비스무트-209 빔을 핵자당 836.66MeV까지 가속하는 것으로 시작됐다. 고속으로 가속된 비스무트 빔은 흑연 표적에 충돌했고, 이 과정에서 탄성핵 파쇄(projectile fragmentation) 반응이 일어났다. 무거운 비스무트 원자핵이 여러 조각으로 나뉘면서 다양한 방사성 핵종이 만들어진 것이다.

하지만 하프늄-153을 만들어내는 것만으로는 충분하지 않았다. 반응 뒤에는 훨씬 많은 다른 생성물이 섞여 있었기 때문이다. 연구진은 먼저 고에너지 방사성 이온빔 수송선인 HIRIBL을 이용해 생성물을 선별하고, 이를 저장·분광 장치인 SRing으로 보냈다.

이후 비행시간 검출기가 후보 핵종을 빠르게 구분했고, 등시성 질량분석법이 하프늄-153의 질량을 정밀하게 측정했다. 그 결과 연구팀은 총 10개의 하프늄-153 이온을 기록했다.

‘10개’만으로도 충분했던 까다로운 검출

이번 실험의 난점은 검출기에서 신호를 찾는 데만 있지 않았다. 하프늄-153 자체가 극히 드물게 생성되기 때문이다. 추정 생성 단면적은 피코반(picobarn) 규모로, 해당 핵종이 만들어질 확률이 매우 낮다는 뜻이다. 수많은 다른 반응 생성물 속에서 단 몇 개의 목표 이온을 골라내야 했다.

이를 가능하게 한 것은 여러 장비의 연동이었다. 강한 1차 중이온 빔은 희귀 핵종이 생성될 기회를 높였고, 고해상도 분리 장치는 생성물 혼합물에서 목표 핵종을 걸러냈다. 이어 단일 이온에도 민감한 질량분석 시스템이 신호를 포착하고 하프늄-153임을 확인했다.

RIKEN의 독립 관측이 결과를 뒷받침

비슷한 시기에 일본 이화학연구소(RIKEN)의 방사성 동위원소 빔 공장(RIBF)에서도 하프늄-153 관측 결과가 독립적으로 보고됐다. 서로 다른 연구 시설에서 얻은 두 관측 결과는 하프늄-153의 식별을 상호 뒷받침한다.

관측 횟수가 극히 적은 희귀 핵종 연구에서는 독립적인 확인이 특히 중요하다. HIAF와 RIBF의 결과가 일치하면서 이번 핵종 식별에 대한 신뢰도가 높아졌고, 연구진은 하프늄-153을 핵 이론과 비교할 수 있는 보다 견고한 실험 자료로 활용할 수 있게 됐다.

HIAF가 보여준 것과 앞으로의 과제

하프늄-153 관측은 HIAF 연구 계획의 종착점이라기보다 성능을 입증한 초기 결과에 가깝다. 가속기, 방사성 이온빔 수송 시스템, 생성물 분리 장치, 정밀 질량측정 장비가 함께 작동해 매우 희귀하고 수명이 짧은 원자핵을 연구할 수 있음을 확인했다.

앞으로 HIAF의 빔 세기와 실험 효율이 높아지면 탐지 능력은 현재보다 약 두 자릿수, 즉 약 100배 향상될 것으로 예상된다. 그렇게 되면 새로운 동위원소를 추가로 발견하고, 핵질량 모델을 더 엄격하게 시험하며, 양성자와 중성자의 불균형이 한층 극단적인 환경에서 원자핵의 성질을 측정하는 일이 가능해질 수 있다.

하프늄-153의 의미는 두 가지로 요약된다. 하나는 지금까지 관측되지 않았던 핵종을 매우 어려운 조건에서 실제로 만들어내고 식별했다는 점이다. 다른 하나는 HIAF가 원자핵의 미탐사 영역과 안정성의 경계를 연구할 준비를 마쳤다는 점이다. 이번 10개의 이온은 작아 보이는 숫자지만, 핵물리학의 지도를 넓히는 첫 신호가 됐다.