“납 원자핵을 광속 가속하면 금 원자핵으로”… 현실이 된 ‘연금술’[Science]

작성일 08-11

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> ■ 유럽입자물리연구소, 거대강입자충돌기로 ‘납 → 금’ 변환 성공 20세기 들어 핵물리학 발전 중성자나 양성자를 변화시켜 원소를 바꾸는 일 가능해져 길이 27㎞ 거대강입자충돌기 광속 99.999993% 광자 빔 납 원자핵 150개 발생할 때 금 원자핵 6개 만들기 성공 3년간 860억개의 금 원자핵 양으로 치자면 29兆분의 1g 존재시간 1마이크로초 불과 
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 “연금술은 아버지가 포도밭에 금은보화를 묻어뒀다는 유언을 남겼다는 이솝우화와 같다.” 영국의 철학자이자 과학자였던 프랜시스 베이컨(1561∼1626)이 남긴 말이다. 이솝우화에서 임종을 앞둔 아버지가 아들에게 포도밭 어딘가에 금을 묻어뒀다는 말을 남기자, 아들은 열심히 땅을 팠지만 금은 찾지 못했다. 대신 그사이 자기도 모르게 땅을 일구게 되면서 가을에 풍성한 수확을 하게 됐다는 이야기다. 마찬가지로 수은이나 납 같은 비금속을 금·은으로 바꾸려 한 연금술사들 역시 원하는 금을 끝내 만들어내지는 못했지만, 그들의 연구와 발견은 오늘날 화학의 기초가 됐다.
 그런데 실제로 납을 금으로 만들어낸 연구진이 등장했다. 유럽입자물리연구소(CERN) 연구진은 거대강입자충돌기(LHC)에서 납을 금으로 바꾸는 데 성공한 연구 결과를 지난 5월 국제학술지 ‘물리학 리뷰 저널’에 발표했다. 중세 연금술사들의 꿈이 현대 물리학자들의 손에서 비로소 실현된 셈이다. 이제 국제 금 시세는 바닥으로 추락하고, 미국 켄터키 주 포트녹스에 보관돼 있다는 4000억 달러 가치의 금은 무용지물이 될까? 다행인지 불행인지, 그렇게 되진 않을 듯하다.
 ◇연금술사들이 실패한 이유= 고대인들은 땅속에 묻혀있는 광물이 오랜 세월 동안 숙성하면서 금이 된다고 믿었다. 그러면 사람이 그 오랜 세월을 인위적으로 줄여서 직접 금을 만들 수도 있지 않을까? 아리스토텔레스의 ‘4원소설’에 따르자면 그럴 수도 있다. 4원소설에서는 물·불·공기·흙의 네 가지 원소의 조합과 상호작용을 통해 모든 물질과 현상이 발생한다. 네 가지 원소의 구성 비율에 따라 물질의 성질이 결정되니, 구리나 납 등 천한 금속을 귀한 금으로 바꿀 수 있지 않겠느냐는 게 알렉산드리아 연금술사들의 생각이었다.
 아이작 뉴턴 등 근대의 문을 연 과학자들도 연금술에 도전했다. 그러나 그중에 뜻을 이룬 이는 없었다. 원소의 성질은 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자 수에 따라 결정된다. 그런데 납의 양성자는 82개, 금은 79개로 3개 차이가 난다. 은의 양성자는 47개뿐이다. 화학적 방법을 통해 물질의 전자 구조는 바꿀 수 있지만, 하나의 원소를 다른 원소로 변환시킬 수는 없었다. 각고의 노력을 기울였던 연금술사들이 번번이 실패했던 까닭이다.
 실마리가 보이기 시작한 것은 핵물리학이 발전한 20세기에 이르러서였다. 방사성 붕괴를 통해 중성자나 양성자의 수가 변화하면서 원소가 다른 원소로 변성될 수 있는 길이 열린 것이다. 이제는 한 원소를 다른 원소로 바꾸는 일도, 아예 세상에 없던 원소를 인공적으로 만드는 일도 불가능하지 않게 됐다. 지구상에 풍부하게 분포하는 납은 양성자가 82개지만, 여기서 3개의 양성자가 떨어져 나가면 상대적으로 희소한 금이 될 수도 있다. 그걸 현실에 옮긴 것이 CERN의 연구다.
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 ◇기적의 실험실 LHC= 연금술사들의 꿈을 실현한 공간은 인류 역사상 가장 거대한 실험 장치로 불리는 LHC다. 스위스와 프랑스의 국경을 넘나들며 지하 100m에 가속 터널의 길이가 27㎞나 되는 LHC에선 입자를 빛에 가까운 속도로 가속시켜 충돌시키는데 이때 발생하는 물리 현상을 관찰할 수 있다. 바로 이 LHC를 이용해 CERN 연구원들은 납 원자핵을 향해 광속의 99.999993%에 이르는 속도로 광자 빔을 쐈다.
 충돌 과정에서 생겨난 이온들은 서로 충돌하기도 하지만 일부는 접촉하지 않고 아주 가까운 거리에서 스쳐 지나간다. 이때 이온 주변에는 강력한 전자기장이 생겨나는데, 이 전자기장이 에너지 펄스를 만들어내 입자의 내부 구조를 흔드는 전자기적 해리(EMD) 현상이 발생하고 양성자와 중성자 몇 개가 분리된다. 연구진은 대형이온충돌기실험(ALICE) 검출기로 납 원자핵들이 충돌하는 순간을 포착해 관찰했는데, 질량수가 다른 납 원자핵이 약 150개 발생할 때 탈륨 원자핵은 약 40개, 수은 원자핵은 약 10개, 그리고 금 원자핵은 약 6개 만들어졌다. 탈륨의 양성자 수는 81개, 수은의 양성자 수는 80개다.
 울리아나 드미트리에바 CERN 연구원은 이 연구 결과에 대해 “LHC에서 납을 금으로 바꾸는 과정을 실험적·체계적으로 구현한 최초 사례”라고 설명했다.
 ◇극미량, 그마저도 찰나의 순간= 이번 연구 결과가 전해지자 일각에선 금의 위상이 붕괴하고 비트코인 등 다른 가치 저장 수단이 주목받을 것이란 예측이 나왔다. CNBC의 가상자산 전문가인 ‘크립토 밴터’ 창립자인 랜 노이어는 “과학자들이 실험실에서 금을 만들어냈다는 사실은 금이 더는 희소하지 않다는 것을 의미한다”고 주장했다. 인공 다이아몬드가 시장에 나오면서 천연 다이아몬드가 희소성을 잃고 가격이 떨어졌던 것처럼 금도 똑같은 경로를 밟고, ‘디지털 금’으로 각광 받는 비트코인이 대안으로 떠오를 거란 주장이다.
 그러면 실제로 실험실에서 만들어지는 금의 양은 얼마나 될까. CERN 연구진은 2015∼2018년 LHC에서 발생한 충돌로 860억 개의 금 원자핵이 만들어졌다고 밝혔다. 860억 개라지만 금의 양으로 치면 약 29조 분의 1g에 불과하다. 그나마도 이렇게 바뀐 금 원자핵들은 극히 불안정하고 빠르게 움직이기 때문에, 다른 입자로 분해되기 전까지 단 1마이크로초(μs·100만 분의 1초) 동안만 존재했다. 횡재를 기대하기엔 터무니없이 적은 양의 금이 찰나의 순간 스쳐 지나가는 셈이다.
 LHC를 돌리는 데 들어가는 막대한 비용을 생각하면 더더욱 그렇다. LHC의 순간 소비 전력은 약 30㎿에 달한다. 극미량의 금을 만들어내면서 들어간 전기요금을 내는 데만 수천억 달러가 들 것으로 추산된다. 납으로 금을 만들어냈다 한들 어디까지나 과학의 진보일 뿐 경제성을 확보할 수 없어 국제 금 시장엔 아무 영향을 주지 못하는 것이다.
 기초과학의 관점에서 봐야 이 연구의 진정한 가치가 평가될 수 있다. 과학자들은 이번 연구 결과가 EMD 현상 연구는 물론, 원자핵에 쏘는 빔의 정확도를 높여 LHC의 성능을 고도화하는 데도 기여할 것으로 보고 있다.
 조재연 기자
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