Large Amplitude Collective Motion and Dissipation in the Ground State and the First Isomeric Wells in the Neutron-Induced Fission of $^{235}$U

거대한 원자 셔플 (The Great Atomic Shuffle)

우주를 아주 작은 입자들이 끊임없이 서로 부딪히는 거대하고 혼란스러운 댄스 플로어라고 상상해 보십시오. 핵물리학이라는 이름의 이 댄스 플로어 구석에서, 과학자들은 매우 특정한, 아주 중요한 움직임인 '핵분열(fission)'을 이해하려고 노력하고 있습니다. 이것은 물이 가득 찬 흔들리는 풍선과 같은 무거운 원자핵이 아주 작은 입자(중성자)에 의해 충격을 받아 결국 두 개의 더 작은 조각으로 쪼개지는 현상입니다. 수십 년 동안 물리학자들은 풍선이 실제로 터지는 순간, 즉 분열 그 자체에 집착해 왔습니다. 왜냐하면 바로 그때 에너지가 방출되고 새로운 조각들이 탄생하기 때문입니다.

하지만 '펑' 하고 터지기 전에는 길고 신비로운 대기 시간이 존재합니다. 중성자가 우라늄 원자에 부딪히면, 그 결과로 생긴 초중량 원자핵은 즉시 쪼개지지 않습니다. 그것은 '안정성의 골짜기'에 갇혀서, 마침내 용기를 내어 언덕을 넘어 부서지기 전까지 오랫동안 이리저리 흔들리며 머무릅니다. 이것은 마치 그릇 안에 놓인 구슬과 같습니다. 구슬은 탈출할 수 있는 아주 작은 틈을 찾기 전까지 한참 동안 그릇 안에서 달그락거릴 수 있습니다. 구슬이 그릇 안에서 달그락거리는 동안 어떤 일이 일ر어지는지를 이해하는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 그것이 전체 폭발의 무대를 설정하기 때문입니다. 만약 우리가 핵이 기다리는 동안 어떻게 행동하는지 알지 못한다면, 우리는 그것이 어떻게 분열하기로 결정하는지, 혹은 어떤 종류의 조각들을 만들어낼지를 완전히 이해할 수 없습니다.

달그락거리는 구슬: 대기실 내부의 모습

이 새로운 연구는 핵분열의 그 '대기실' 단계, 특히 우라늄-236 핵(우라늄-235에 중성자가 부딪혀 형성된)을 집중적으로 조사합니다. 연구진은 '시간 의존 밀도 범함수 이론(TDDFT)'이라는 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여, 이 원자핵이 두 가지 서로 다른 '그릇' 또는 에너지 우물, 즉 깊고 안정적인 기저 상태(ground state) 우물과 얕은 들뜬 상태인 '이성질체(isomer)' 우물에서 어떻게 행동하는지 관찰했습니다.

결과는 원자핵이 믿기 힘들 정도로 안절부절못한다는 것을 보여줍니다. 깊은 기저 상태 우물에서 원자핵은 자신의 초기 동작을 빠르게 잊어버리는 정신없는 무용수처럼 행동합니다. 원자핵이 처음에 약간 찌그러졌든 혹은 늘어났든 상관없이, 그것은 빠르게 중심의 차분한 위치로 자리 잡습니다. 원자핵의 '모양'은 혼란스러워지지만 일정한 리듬 속에 안착하며, 어떻게 충격을 받았는지에 대한 초기 기억은 빠르게 지워집니다. 마치 원자핵이 "내가 어떻게 여기에 왔든 상관없어. 준비가 될 때까지 중심에서 진동할 거야"라고 말하는 것과 같습니다.

이성질체 우물, 즉 더 얕은 그릇에서의 이야기는 꽤 다릅니다. 여기서 원자핵은 단순히 자리 잡는 것에 그치지 않고, 흔들리기 시작합니다. 만약 원자핵이 특정 정도의 '비대칭성'(구체적으로는 큰 팔각 변형/octupole deformation)을 가지고 이 우물에 진입하면, 매우 리드미컬하고 거의 음악적인 방식으로 앞뒤로 흔들리기 시작합니다. 자신의 형태를 잊어버리는 대신, 원자핵은 특정 비대칭성을 유지하며 진자처럼 흔들립니다. 이는 놀라운 발견입니다. 기저 상태는 과거를 빠르게 잊어버리는 반면, 이성질체 우물은 특정 '형태의 기억'을 오랫동안 유지하며 약 960 펨토초(0.00000000000000096초)의 주기로 흔들립니다.

또한 이 연구는 이 대기 시간이 뜨겁고 혼란스러운 사건임을 밝혀냈습니다. 원자핵은 끊임없이 에너지를 잃는데, 이 과정은 '소산(dissipation)'이라 불리며, 조직적인 운동을 열로 변화시킵니다. 이것은 마치 회전하는 팽이가 테이블에 문질러지면서 속도가 느려지고 뜨거워지는 것과 같습니다. 이러한 강한 소산 때문에 원자핵이 이 우물 안에 있는 동안 (자발적 핵분열에서 사용되는 양자적 기술인) 장벽을 뚫고 터널링할 가능성은 낮습니다. 대신 원자핵은 다시 시도하기 위해 외곽 가장자리까지 도달할 때까지 기다려야 합니다. 또한, 시뮬레이션에 따르면 가끔 원자핵이 흔들리는 벽에 부딪히는 것 때문에, 마치 흔들린 탄산음속 캔에서 거품이 빠져나오는 것처럼 몇 개의 중성자를 내뱉기도 합니다.

연구진은 이 초기 단계에서 원자핵이 행동하는 방식이 무작위적인 혼돈이 아니라 특정 규칙을 따른다는 것을 발견했습니다. 기저 상태에서는 빠르게 평균화되는 혼란스러운 셔플(shuffle)이며, 이성질체 우물에서는 오랫동안 지속될 수 있는 조화로운 스윙(swing)입니다. 이 차이는 매우 큽데, 이는 분열된 조각들의 최종 형태(균등하게 나뉘느냐 혹은 불균등하게 나뉘느냐)가 이 이성질체 우물에서 얼마나 많이 흔들리느냐에 따라 결정될 수 있음을 시사하기 때문입니다. 만약 흔들림이 충분히 크다면 불균등한 분열로 이어지고, 그렇지 않다면 분열은 균등할 수 있습니다.

궁극적으로, 이 논문은 핵분열의 전체 미스터리를 해결했다고 주장하지 않습니다. 저자들은 이것이 '평균장(mean field)' 접근법에 기반한 시뮬레이션, 즉 양자 세계를 단순화하여 바라본 관점임을 명시적으로 밝히고 있습니다. 저자들은 완전하고 완벽한 묘사를 위해서는 아직 모델링하지 못한 더 복-잡한 양자 효과들이 포함되어야 함을 인정합니다. 그러나 이 두 가지 초기 단계를 분리하여 시뮬레이션함으로써, 그들은 원자핵이 분열을 기다리는 동안 어떻게 행동하는지에 대한 최초의 미시적인 관점을 제공했습니다. 그들은 원자핵이 단순히 분열을 기다리는 수동적인 승객이 아니라, 분열 과정의 결과를 결정하는 데 결정적인 역할을 하는 능동적이고, 에너지를 소산시키며, 때로는 리드미컬한 시스템이라는 것을 보여주었습니다.