원자핵으로 시간을 재는 핵시계

빈과 베이징의 독립적인 연구팀들이 원자핵 내부의 에너지 변화를 이용해 시간을 측정하는 핵시계를 구현했다. 시제품의 성능은 아직 최고 수준의 원자시계에 미치지 못하지만, 물리학자들이 거의 50년 동안 추구해 온 기술이 작동한다는 것을 보여준다.

학술지 네이처에 소개된 두 장치는 모두 레이저와 결정에 포함된 토륨 동위원소인 토륨-229를 사용한다. 기존 원자시계는 전자와 관련된 에너지 변화를 이용한다. 반면 핵시계는 외부 교란에 덜 민감한 원자의 중심부, 즉 원자핵 내부의 변화를 활용한다. 여기서 ‘핵’은 시간을 측정하는 원리를 뜻하며, 핵분열이나 핵융합을 이용한 동력원을 의미하지 않는다.

빈 연구팀의 시계는 별도의 개입 없이 24시간 넘게 안정적으로 작동했다. 측정된 정밀도는 약 3,000만 년에 1초의 오차에 해당한다. 이에 비해 최고 수준의 기존 원자시계는 수십억 년 동안 시간이 1초 빨라지거나 늦어지는 정도다.

가능성은 시간 측정에 그치지 않는다. 빈 연구팀의 장치는 암흑물질 탐색 실험에서 최고 수준의 원자시계에 버금가는 성능을 보였지만, 암흑물질을 검출하지는 못했다. 연구자들은 개선된 장치로 기초 물리학을 더욱 정밀하게 검증할 수 있기를 기대한다. 두 팀의 강점은 서로 보완적이다. 빈 연구팀의 토륨 결정은 광학적 특성이 더 우수하고 토륨 농도가 더 높은 반면, 베이징 연구팀의 레이저는 더 강력하다. 이는 성능 개선을 위한 실질적인 방향을 제시한다.