납 원자를 충돌시키자 '860억 개의 금 원자핵'이 쏟아져 나왔습니다.

 

 

무려 수천 년 전에 시작되었지만, 아직도 이루지 못한 인류의 꿈이 있습니다.

 

그것은 바로 평범한 납을 눈부신 황금으로 바꾸는, 신비로운 연금술이죠.

 

하지만 이러한 연금술은 실현되기는 켜녕, 아주 오랫 동안 허황된 고대의 망상이라 치부되었습니다.

 

그런데 얼마전, 이 고대의 망상이 현대 과학의 심장부에서 현실로 나타났는데요.

 

빛의 속도로 가속된 납 원자들이 충돌하는 순간, 무려 수백억 개의 달하는 금 원자핵이 쏟아져 나온 겁니다.

 

이는 수천 년 전에 시작된 연금술의 오래된 꿈이, 현대 물리학에서 실현된 역사적인 순간이었죠.

 

과연 어떤 심오한 우주의 법칙이, 이 현대한 연금술의 기적을 가능케 했을까요?

 

인간의 손으로 원자핵을 부수고 재창조하여, 한 원소를 전혀 다른 원소로 뒤바꾸는 놀라운 현대의 연금술.

 

그 눈부시고 장엄한 비밀의 장막이 지금, 바로 당신 앞에서 서서히 걷히고 있습니다.

 

이번 연구는 Physical Review C 2025년 5월 7일 자에 게재되었습니다.

 

 

 

 

'납을 금으로 바꾼다'라는 아이디어는, 아주 오래전 부터 존재했던 생각입니다.

 

특히 중세 시대 연금술사들에게는, 마치 영원히 풀리지 않는 숙제와도 같은 궁극적인 목표이자 꿈이기도 했죠.

 

당시 사람들은 비교적 흔하고 가치가 낮았던 '납'을, 눈부시게 빛나고 값비싼 '금'으로 바꿀 수만 있다면, 엄청난 부와 명예를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 물질의 근본을 이해하는 열쇠를 쥘 수 있을 것이라 생각했습니다.

 

이러한 열망을 실현하기 위해 중세 연금술사들은, 수 많은 시간과 노력을 들여 다양한 실험에 몰두했는데요.

 

그들은 여러 가지 물질들을 혼합하고, 가열하고, 증류하고, 냉각하는 등 온갖 종류의 화학적 조작을 시도하며, 비밀스러운 제조법을 찾으려고 애썼죠.

 

신비로운 철학적 개념과 결합된 그들의 실험은, 때로는 우연한 화학적 발견으로 이어지기도 했지만, 정작 목표했던 '납을 금으로 만드는' 데에는 성공하지 못했습니다.

 

이러한 빈번한 실패에도 불구하고 당시 연금술사들은, 그 실패의 근본적인 원인 조차도 명확히 이해하지 못했는데요.

 

수 세기 동안 연금술사들을 끊임없이 괴롭혀온 이 질문, '어째서 납으로 금을 만들 수 없는가?'

 

그토록 풀고 싶어 했던 이 오랜 수수께끼의 해답은, 17세기에 이르러서야 비로소 그 실마리가 드러나기 시작했습니다.

 

과학적 탐구가 점차 깊어지면서, 이 해묵은 질문의 가장 근본적인 답이 다름 아닌, "원자핵 속에 자리한 '양성자의 수'"에 달려 있다는 놀라운 사실이 점차 명확해지게 된 거죠.

 

바로 이 '양성자의 수'가 각 원소의 고유한 정체성을 결정짓는 절대적인 표식이자, 납이 금으로 변할 수 없는 가장 핵심적인 열쇠였던 겁니다.

 

즉, 납과 금은 단순히 겉모습이나 몇몇 성질만 다른 것이 아니라, 애초부터 그 본질이 판이하게 다른 '별개의 원소'였다는 사실을 깨닫게 되었던 겁니다.

 

 

 

좀 더 구체적으로 보면, 금의 원자핵에는 79개의 양성자가, 납의 원자핵에는 82개의 양성자가 들어있는데요.

 

바로 이 '79'와 '82'라는 양성자의 숫자가 바로, 금과 납을 구분 짓게 하는 절대적인 차이라고 할 수 있는 겁니다.

 

이처럼 양성자의 수가 원소의 종류를 결정짓기 때문에, 한 원소를 다른 원소로 바꾸려면 연금술 같은 것이 아니라, 원자핵 자체에 변화를 주어야만 합니다.

 

즉, 납의 원자핵에서 양성자 3개를 어떻게든 떼어내든지 해서, 최종적으로 양성자의 수를 금의 양성자 수와 동일하게 79개로 만들어야 한다는 거죠.

 

하지만 20세기 이전까지만 해도, '원소는 영원불변하다'라는 생각은 과학계의 철칙과도 같았습니다.

 

한번 정해진 원소의 운명은 그 무엇으로도 바꿀 수 없다고 굳게 믿던 시대였죠.

 

그러나 20세기의 문턱을 넘어서면서, 이 견고했던 믿음의 토대는 거대한 균열을 맞이하기 시작합니다.

 

과학자들은 특정 원소의 핵이 불안정할 경우, 스스로 내부 구조를 바꾸며 전혀 다른 원소로 변하게 되는 경이로운 현상, 바로 '방사성 붕괴'라는 현상을 발견하게 된 건데요.

 

마치 자연 스스로가 신비로운 연금술을 선보이는 듯한 이 현상은, 당시 과학계에 엄청난 충격과 함께 새로운 가능성의 문을 열어주었습니다.

 

하지만 인류 지성의 위대한 탐험은, 이 놀라운 발견에서 결코 멈추지 않았습니다.

 

 

 

과학자들은 더 나아가, 입자를 매우 빠른 속도로 가속시켜 원자핵에 충돌시키면, 원자핵의 구성을 인위적으로 바꿀 수 있다는 사실, 즉 '인공 핵변환'을 일으키는 방법들까지도 발견하게 된 거죠.

 

이러한 일련의 발견들을 통해, 과학자들은 원자핵이 결코 고정불변의 존재가 아니라는 사실을 명확히 깨닫게 되었습니다.

 

특정 조건에서는 스스로 붕괴하기도 하고, 외부 입자와의 강력한 상호작용을 통해, 그 구성 자체가 변하여 전혀 다른 원소로 바뀔 수 있다는 혁명적인 이해에 도달하게 된 겁니다.

 

이러한 혁명적 이해는 곧바로 과학자들을 새로운 실험의 장으로 이끌게 되었는데요.

 

'만약 원자핵을 바꿀 수 있다면, 그 과정을 직접 통제하고 다양한 원소를 만들어낼 수 있지 않을까?'

 

그리고 이 질문은 수 많은 핵물리학 연구의 시발점이 되었습니다.

 

과학자들은 원자핵의 비밀을 더욱 깊이 파헤치고 다양한 원소 변환의 가능성을 탐색하기 위해, 전 세계적으로 강력한 입자가속기를 건설하고 다양한 충돌 실험을 수행하기 시작했죠.

 

유럽입자물리연구소(CERN)의 거대 강입자 충돌기(LHC) 역시 이러한 최첨단 연구의 현장 중 하나라고 할 수 있습니다.

 

이곳에서 과학자들은 극한의 에너지로 입자들을 충돌시키며, 물질의 가장 근본적인 수수께끼를 풀어가고 있습니다.

 

 

 

이러한 LHC의 대표적인 실험 중 하나가 바로, ALICE(A Large Ion Collider Experiment)라는 실험인데요.

 

ALICE 실험의 주된 목표는 우주 대폭발, 즉 빅뱅 직후 약 백만 분의 1초라는 극히 짧은 순간에만 존재했을 것으로 여겨지는 태초 우주의 환경, 이른바 '쿼크-글루온 플라즈마(QGP)' 상태를 실험실에서 인공적으로 재현하고 그 특성을 규명하는 겁니다.

 

이처럼 극한의 초기 우주 조건을 만들어내기 위해, ALICE 실험에서는 원자핵이 매우 무거운 '납'을 선택하여, 빛에 가까운 속도로 가속시켜 정면으로 충돌시키는 연구를 핵심적으로 수행하고 있죠.

 

그런데 LHC처럼 거대한 에너지로 입자들을 충돌시키는, 특히 ALICE의 실험처럼 납을 사용하는 환경에서는, 우리가 주로 주목하는 정면 충돌 이외에도 다양한 형태의 상호작용이 관찰됩니다.

 

이는 모든 입자들의 충돌이 항상 의도한 대로, 정확하게 핵과 핵의 정면으로만 일어나는 것은 아니기 때문인데요.

 

때로는 원자핵들이 서로 직접 부딪히지 않고, 마치 스치듯이 아슬아슬하게 지나쳐가는 경우도 발생하게 됩니다.

 

물리학자들은 이러한 종류의 충돌을 '초주변 충돌(ultraperipheral collisions)' 이라고 부르고 있죠.

 

 

사실 LHC의 내부에서 과학자들이 사용하고 있는 것은, 정확히 말해서 '납 이온' 입니다.

 

여기서 '이온'은, 원자의 핵에서 전자를 제거하면 나타게 되는, 하나의 상태라고 할 수 있는데요.

 

LHC의 실험에서는 보통 이렇게 원자핵에서 전자를 인위적으로 제거해서 사용하게 됩니다.

 

이렇게 원자핵에서 전자를 제거하게 되면, 원자는 원래의 중성 상태를 잃고 '양전하'라는 뚜렷한 전기적 특성을 지니게 됩니다.

 

특히 납은 그 원자핵 속에, 무려 82개라는 양성자를 가지고 있는데요.

 

이는 주기율표에 있는 수 많은 원소 중에서도 상당히 많은 양성자 수에 해당하며, 이 때문에 납 이온은 본질적으로 대단히 큰 양전하를 품게 됩니다.

 

이렇게 이미 그 자체로 강력한 전하를 지닌 납 이온이 LHC 안에서 빛에 가까운, 실로 경이로운 속도로 질주하게 되면, 그 파급력은 상상을 초월하게 되죠.

 

이때의 납 이온은 더 이상 단순한 작은 입자가 아니라, 그 엄청난 고유의 전하와 극단적인 속도가 결합되면서, 주변 공간에 미치는 전자기적 영향력이 극대화되어, 말 그대로 거대한 '살아 움직이는 전하 다발'처럼 행동하게 됩니다.

 

따라서 이렇게 강력한 전자기적 존재감을 뿜어내는 두 납 이온이 서로 정면이 아닌, 아슬아슬하게 스쳐지나가는 바로 그 찰나, 과학자들은 그 주변 공간이 순간적으로 믿기 어려울 만름 '매우 강력한 전자기장'으로 휘감기는, 숨막히는 듯한 경이로운 현상을 목격하게 되었습니다.

 

ALICE 실험팀은 바로 이 찰나의 순간에 발생하는 강력한 전자기장과 그로 인한 현상에서, 새로운 과학적 가능성을 포착하고 연구의 초점을 더욱 정밀하게 맞추기 시작했죠.

 

그들이 새롭게 주목한 것은, 이렇게 순간적으로 발생했다 사라지는 강력한 전자기장이, 스쳐 지나가는 상대 원자핵에 막대한 에너지를 전달할 수 있다는 사실이었습니다.

 

만약 이때 전달되는 에너지가 충분히 크면, 원자핵을 구성하던 양성자나 중성자들은 그 엄청난 충격에 휘말려, 기존의 결속을 끊고 핵 밖으로 튕겨져 나갈 수 있는데요.

 

그리고 이로 인해, 원자핵에서 양성자가 떨어져 나간다면, 원소의 정체성 자체가 근본적으로 뒤바뀌는, 그야말로 현대한 연금술과 같은 놀라운 일이 일어나게 됩니다.

 

예를 들어, 본래 82개의 양성자를 가진 납 원자핵에서 양성자 3개가 튕겨져 나가면, 남은 양성자는 정확히 79개가 됩니다.

 

이는 정확히 원자 번호 79번인, 우리에게 익숙한 '금'의 원자핵과 완벽히 동일한 구성으로 변화되었음을 의미하는 거죠.

 

마찬가지로, 양성자가 단 1개만 빠져나가게 되면, '원자 번호 81번인 탈륨'으로, 2개가 빠져나가면 '원자번호 80번인 수은'의 원자핵이 새롭게 탄생될 수 있다는 겁니다.

 

이것이 바로 현대의 물리학자들이 깊은 관심을 가지게 된, 순수한 '전자기적 상호작용을 이용한 원자핵의 변환', 즉 이전에는 주목받지 못했던 '원소 변환의 새로운 경로'였던 겁니다.

 

 

 

ALICE팀은 이 초주변 충돌 시 발생하는 강렬한 전자기적 상호작용에 의한 핵반응을 정밀하게 관측하고, 이를 통해 납 원자핵으로부터 다른 원소, 특히 '금 원자핵이 생성되는 과정'을 세계 최초로 정확하게 측정하고 분석하고자 했는데요.

 

이는 단순한 원소 변환의 확인을 넘어, 극한 환경에서 일어나는 전자기적 상호작용과 핵반응에 대한 우리의 이해를 한층 깊게 만드는 아주 중요한 연구였습니다.

 

이번 ALICE 실험에서 연구팀은, LHC의 거대한 링 내부에서 납 이온을, 빛의 속도의 약 99.999993%라는 경이적인 속도까지 가속시켜, 서로를 향해 마주보며 진행시켰습니다.

 

그리고 이 두 이온이 서로 아슬아슬하게 스쳐 지나가는 순간, 튕겨져 나오는 양성자의 에너지를 정밀하게 측정하고 추적했죠.

 

이 데이를 통해 원래의 납 원자핵에서 '몇 개의 양성자가 떨어져 나갔는지'를 역으로 계산하여, 새롭게 생성된 원소의 종류를 성공적으로 식별해 낼수 있었습니다.

 

그 결과, 납이 금으로 바뀌는 현상 자체는 비교적 드물게 일어나는 일이지만, LHC가 가동되는 동안에는 상당한 횟수로 이러한 변환이 발생하고 있음이 명확히 밝혀지게 되었습니다.

 

실제로 연구팀은 2015년부터 2018년까지 ALICE 실험을 포함한 LHC 전체의 실험 영역에서, 총 약 860억 개의 달하는 금 원자핵이 찰나의 순간이나마 생성되었을 것으로 추정했죠.

 

 

 

그렇다면 이 860억 개의 달하는 엄청난 수의 금 원자핵을 이용해서, 실제 금을 만들 수도 있을까요?

 

안타깝게도 현실적으로는 불가능에 가깝습니다. 그 이유는 다음과 같은데요.

 

사실 860억 개라는 숫자는 매우 커 보이지만, 원자핵 하나의 크기와 질량은 상상 이상으로 작습니다.

 

그래서 이 모든 금 원자핵을 다 모아도, 그 질량은 수십 피코그램(1조 분의 1그램) 수준에 불과하죠.

 

이는 우리 머리카락 한 올의 무게에도 한 참 미치지 못하는, 사실 눈으로도 볼 수 없는 양입니다.

 

또한 이 금 원자핵들은 매우 높은 에너지 상태로, 빛에 가까운 속도로 가속기 내부를 이동하다가 약 1마이크로초라는 지극히 짧은 시간 안에, 가속기의 벽이나 다른 장치에 부딪혀 다른 형태로 붕괴하거나 흡수되어 사라져 버립니다.

 

즉, 이 860억 개의 금 원자핵들을 따로 모으거나, 회수할 방법 자체도 없다는 겁니다.

 

마지막으로, 이 금 원자핵들을 만들어내는 데 사용되는 LHC의 운영에는 막대한 비용이 투입되고 있는데요.

 

설령 극미량의 금을 회수할 수 있다 하더라도, 그 가치는 생산 비용에 비하면 없는 것이나 마찬가지입니다.

 

결론적으로, 경제적 가치가 있는 실물 금을 만들어 내는 것은 현재 기술로는 불가능하다는 얘기죠.

 

 

비록 이 방법으로 경제적 가치가 있는 금을 얻을 수는 없을지라도, 이번 CERN의 ALICE 실험 연구는 과학계로부터 매우 중요한 성과로 평가받고 있습니다.

 

그 이유는 단순한 호기심 충족을 넘어, 핵물리학의 근본적인 이해를 넓히고, 미래 과학 기술 발전에 실질적으로 기여하는 핵심적인 발견들을 담고 있기 때문입니다.

 

특히 가장 주목할 만한 의의는, 납이 금으로 변화되는 과정을 세계 최초로 체계적으로 또 정량적으로 관측하고 분석해냈다는 점인데요.

 

과거에는 상상하기 어려웠던 선명도로 '현대의 연금술'이라 불릴 만한 현상을 포착해냄으로써, 원소 변환에 대한 인류의 이해를 한 단계 끌어올렸습니다.

 

물론, 이전에도 CERN의 다른 소규모 가속기에서 유사한 '초주변 충돌' 현상이 보고된 바는 있지만, 이번 LHC에서의 실험은 그 차원이 다르다고 할 수 있죠.

 

비교 불가능할 정도로 압도적인 충돌 에너지를 통해, 이처럼 대량으로 그리고 뚜렷한 형태로 금이 생성되는 과정을 세밀하게 추적하고, 그 발생 확률까지 정량적으로 규명할 수 있었던 최초의 사례였습니다.

 

이는 '납을 금으로 바꾼다'는 연금술사들의 오랜 꿈을, 과학의 힘을 통해 그 원리와 과정을 명확히 이해하는 방식으로 마침내 이루어냈음을 의미하고 있습니다.

 

 

 

마침내 인류는 과학의 힘으로, '납을 금으로 바꾸는' 연금술사들의 수백 년 묵은 꿈을 현실로 만들어냈습니다.

 

CERN의 ALICE 실험은, 비록 눈 깜짝할 사이에 사라지는 극미량일지라도, 분명히 납 원자핵이 금 원자핵으로 변환되는 경이로운 순간을 포착해냈는데요.

 

이는 원소 변환의 원리를 명확히 이해하고 실험으로 증명했다는 점에서, 과학사의 한 페이지를 장식할 만한 위대한 성과임에는 틀림이 없습니다.

 

그렇다면 여기서 한 걸음 더 나아가, 우리는 이런 궁긍증이 생기게 됩니다.

 

"이 실험을 시작으로, 언젠가는 정말로 우리가 손에 쥘 수 있는 실물 금을 만들어낼 수도 있을까?'

 

인류의 역사를 돌이켜보면, '불가능'이라 여겨졌던 수많은 일들이 과학의 발전과 함께 현실이 되어 왔습니다.

 

하늘을 나는 꿈, 달에 발자국을 남기는 꿈, 지구 반대편과 실시간으로 소통하는 꿈까지..이 모든 것들도 처음에는 덧없는 망상이나 공상으로 치부되었을지도 모르죠.

 

이번 ALICE 실험은, 우리에게 금을 만들어 팔 수 있는 방법을 제시한 것은 아닙니다.

 

그러나 자연의 가장 근본적인 법칙 중 하나인, '원소 변환'의 비밀을 인류가 직접 목격하고 그 메커니즘을 이해했다는 사실, 이것이야말로 가장 중요한 성과라고 할 수 있습니다.

 

 

자연의 비밀을 하나씩 풀어낼 때마다, 우리는 이전에는 상상할 수 없었던 새로운 가능성의 문을 열어왔습니다.

 

지금 이 순간, 납을 금으로 바꾸는 실험은 수지타산이 맞지 않는 순수한 과학 연구에 불과할지도 모릅니다.

 

하지만 이 작은 성공이 미래의 과학자들에게 어떤 영감을 주고, 어떤 새로운 아이디어의 씨앗이 될지는 아무도 모르는데요.

 

어쩌면 수십, 수백 년 후, 우리가 상상하지도 못할 새로운 물리적 원리나 혁신적인 기술이 등장하여, 이 '현대의 연금술'이 전혀 다른 모습으로 우리 앞에 나타날지도 모릅니다.

 

중세 연금술사들이 실패를 거듭하면서 포기하지 않았던 그 끈질긴 열정처럼, 인류의 호기심과 불가능에 도전하는 정신은 계속될 겁니다.

 

비록 지금은 아득한 꿈처럼 보일지라도, 오늘 우리가 목격한 이 작은 금빛 섬광이 언젠가 인류에게 새로운 지평을 열어줄지도 모른다는 희망, 그것이 바로 과학이 우리에게 선사하는 가장 극적인 드라마가 아닐까요?

 

 

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