MIT 물리학자들이 원자 내부를 볼 수 있는 방법을 찾았습니다.

10월 23일에 발표된 연구에서 과학연구팀은 불화물 원자에 화학적으로 결합되어 일불화 라듐을 형성하는 라듐 원자 궤도를 도는 전자의 에너지를 정확하게 측정했습니다. 분자 환경을 입자 충돌기의 미세한 대체물로 사용함으로써 그들은 라듐 원자의 전자를 가두어 일부가 핵을 잠시 통과할 가능성을 높였습니다.

핵 내부를 조사하는 전통적인 실험은 전자빔의 속도를 높여 핵을 부수고 파편화하는 킬로미터 규모의 가속기에 의존합니다. 새로운 분자 중심 접근 방식은 핵 내부를 직접 조사할 수 있는 컴팩트한 탁상형 방법을 제공합니다.

테이블탑 방식으로 핵 “메시지” 감지

연구원들은 일불화라듐을 사용하여 분자 내에서 이동할 때 라듐 원자의 전자 에너지를 추적했습니다. 그들은 에너지의 작은 변화를 관찰하고 일부 전자가 잠시 동안 핵으로 들어가 내부에 있는 것과 상호작용했음이 틀림없다고 결론지었습니다. 그 전자들이 떠날 때, 그들은 에너지 변화를 유지하여 핵 내부의 특징을 드러내는 핵 “메시지”를 효과적으로 전달했습니다.

이 방법은 핵의 “자기 분포”를 측정하는 길을 열어줍니다. 핵 내부에서 각 양성자와 중성자는 작은 자석처럼 행동하며, 그 방향은 입자가 어떻게 배열되어 있는지에 따라 달라집니다. 팀은 이 기술을 사용하여 최초로 라듐의 특성을 매핑할 계획입니다. 이는 우주론의 핵심 퍼즐 중 하나인 우주에 반물질보다 훨씬 더 많은 물질이 포함되어 있는 이유를 알 수 있는 단계입니다.

“우리의 결과는 핵 수준에서 근본적인 대칭성의 위반을 측정하기 위한 후속 연구의 토대를 마련했습니다.”라고 MIT 물리학과의 Thomas A. Franck 부교수인 연구 공동저자 Ronald Fernando Garcia Ruiz는 말했습니다. “이것은 현대 물리학에서 가장 시급한 질문에 대한 답을 제공할 수 있습니다.”

MIT의 공동 저자로는 Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu 및 Alex Brinson이 있으며, 실험이 진행된 스위스 CERN의 공선 공명 이온화 분광학 실험(CRIS)을 비롯한 여러 기관의 공동 작업자가 있습니다.

물질-반물질 불균형과 라듐의 역할

현재의 이해에 따르면, 초기 우주에는 거의 같은 양의 물질과 반물질이 포함되어 있었어야 했습니다. 그러나 오늘날 우리가 감지할 수 있는 거의 모든 것은 원자핵 내부의 양성자와 중성자로 구성된 물질입니다.

이 관찰은 표준 모델의 기대와 상충되며, 이는 반물질의 희소성을 설명하기 위해 기본적인 대칭 위반의 추가 원인이 필요함을 시사합니다. 이러한 효과는 라듐을 포함한 특정 원자의 핵 내에 나타날 수 있습니다.

구형에 가까운 대부분의 핵과 달리 라듐의 핵은 비대칭의 배 모양을 하고 있습니다. 이론가들은 이 기하학적 구조가 대칭 위반 신호를 증폭시켜 잠재적으로 관찰 가능하게 만들 수 있다고 예측합니다.

라듐 핵은 전하와 질량이 비대칭이기 때문에 대칭 파괴를 증폭시킬 것으로 예상됩니다. 이는 매우 특이한 현상입니다.”라고 Garcia Ruiz는 말했습니다. 그의 연구팀은 근본적인 대칭 위반 징후를 찾기 위해 라듐 핵을 조사하는 방법을 개발하는 데 집중해 왔습니다.

초고감도 분자 실험 구축 기본적인 대칭성을 테스트하기 위해 라듐 핵 내부를 들여다보는 것은 매우 어렵습니다.

“라듐은 자연적으로 방사성이며 수명이 짧습니다. 따라서 현재 우리는 극소량의 일불화 라듐 분자만 생산할 수 있습니다”라고 MIT의 박사후 연구원이었던 이번 연구의 주요 저자인 Shane Wilkins는 말합니다. “따라서 이를 측정하려면 매우 민감한 기술이 필요합니다.”

연구팀은 분자에 라듐 원자를 삽입하면 전자의 행동을 제한하고 확대할 수 있다는 것을 인식했습니다.

연구 공동 저자인 Silviu-Marian Udrescu PhD ’24는 “이 방사성 원자를 분자 내부에 넣으면 전자가 경험하는 내부 전기장은 우리가 실험실에서 생성하고 적용할 수 있는 전기장에 비해 훨씬 더 큽니다.”라고 설명합니다. “어떤 면에서 분자는 거대한 입자 충돌기처럼 작용하며 우리에게 라듐 핵을 조사할 수 있는 더 나은 기회를 제공합니다.”

에너지 전환으로 전자핵과의 만남이 밝혀졌습니다

연구진은 라듐 원자와 불화물 원자를 결합하여 일불화라듐을 생성했습니다. 이 분자에서는 라듐 전자가 효과적으로 압착되어 전자가 라듐 핵과 상호 작용하고 잠시 동안 라듐 핵에 들어갈 가능성이 높아집니다.

그런 다음 분자를 포획하고 냉각시킨 다음 진공 챔버를 통해 유도하고 분자와 상호 작용하도록 맞춤화된 레이저로 조명했습니다. 이 설정을 통해 각 분자 내부의 전자 에너지를 정확하게 측정할 수 있었습니다.

측정된 에너지는 핵에 들어가지 않는 전자를 기준으로 한 기대와는 미묘한 차이를 보였다. 에너지 변화는 분자를 여기시키는 데 사용된 레이저 광자 에너지의 약 100만분의 1에 불과했지만 전자가 라듐 핵 내부의 양성자 및 중성자와 상호 작용한다는 명확한 증거를 제공했습니다.

Wilkins는 “핵과 핵 외부 전자 사이의 상호 작용을 측정하는 많은 실험이 있으며 우리는 이러한 상호 작용이 어떤 모습인지 알고 있습니다.”라고 설명합니다. “우리가 이러한 전자 에너지를 매우 정확하게 측정하려고 했을 때, 핵 외부에서만 상호 작용한다고 가정했을 때 우리가 기대했던 것과는 전혀 합산되지 않았습니다. 이는 그 차이가 핵 내부의 전자 상호 작용으로 인한 것임에 틀림없다는 것을 말해줍니다.”

Garcia Ruiz는 “우리는 이제 핵 내부에서 샘플을 채취할 수 있다는 증거를 얻었습니다.”라고 말했습니다. “이것은 배터리의 전기장을 측정할 수 있는 것과 같습니다. 사람들은 외부에서 전기장을 측정할 수 있지만 배터리 내부를 측정하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 이것이 바로 우리가 지금 할 수 있는 일입니다.”

다음 단계: 힘 매핑 및 대칭 테스트

앞으로 팀은 새로운 기술을 적용하여 핵 내부의 힘 분포를 매핑할 계획입니다. 그들의 실험은 지금까지 고온에서 각 분자 내부에 무작위 방향으로 놓여 있는 라듐 핵을 포함했습니다. Garcia Ruiz와 그의 동료들은 이러한 분자를 냉각시키고 배 모양 핵의 방향을 제어하여 내용을 정확하게 매핑하고 근본적인 대칭 위반을 찾을 수 있기를 원합니다.

“라듐 함유 분자는 자연의 기본 대칭에 대한 위반을 검색하는 데 매우 민감한 시스템이 될 것으로 예상됩니다.”라고 Garcia Ruiz는 말합니다. “이제 우리는 그 수색을 수행할 수 있는 방법을 갖게 되었습니다.”

이 연구는 부분적으로 미국 에너지부의 지원을 받았습니다.