과학자들은 이전에 볼 수 없었던 희귀한 우주 반응을 재현했습니다.

희귀 동위원소 빔 시설(FRIB)에서 대학원생으로 연구를 수행했으며 현재 캐나다 레지나 대학의 박사후 연구원인 Artemis Tsantiri가 주도한 새로운 연구는 획기적인 성과를 거두었습니다. 처음으로 연구자들은 희귀 동위원소 빔을 사용하여 비소-73이 어떻게 양성자를 포획하여 셀레늄-74를 형성하는지 직접 측정했습니다. 이 결과는 우주에서 가장 가벼운 p핵이 어떻게 생성되고 파괴되는지에 대한 새로운 한계를 제시합니다.

연구 결과는 실제 검토 편지 (“가장 가벼운 물질의 합성을 제한하다 𝑝 핵 ⁷⁴Se”)에 미국, 캐나다, 유럽 전역의 20개 기관에서 온 45명 이상의 과학자가 참여했습니다.

일부 요소가 미스터리로 남아 있는 이유

핵천체물리학의 주요 목표는 원소가 어디서 오는지 이해하는 것입니다. 철보다 무거운 많은 원소들은 느리고 빠른 중성자 포획 과정을 통해 형성됩니다. 이러한 반응에서 원자핵은 반복적으로 중성자를 흡수한 다음 안정적인 형태에 도달할 때까지 방사성 붕괴를 겪습니다.

그러나 이 설명은 양성자가 풍부한 동위원소의 특별한 그룹에는 적용되지 않습니다. 이러한 p핵은 중성자 포획을 통해 생성될 수 없습니다. 그 범위는 가장 가벼운 셀레늄-74부터 가장 무거운 수은-196까지 다양하며, 그 기원은 수십 년 동안 불분명하게 남아 있습니다.

초신성 폭발과 감마 과정

p핵 생성에 대한 주요 설명 중 하나는 특정 유형의 초신성 폭발에서 발생하는 감마 과정입니다. 이러한 극한 환경에서 강렬한 열은 기존 중핵에서 중성자와 기타 입자를 제거하는 감마선을 생성합니다.

이 과정이 끝나면 남은 핵에는 중성자보다 양성자가 더 많이 포함됩니다. 시간이 지남에 따라 이러한 핵 중 일부는 양성자를 중성자로 전환하여 보다 안정적인 균형을 이루고 결국 p핵을 형성합니다.

이 과정에 관련된 많은 동위원소는 수명이 짧고 실험실에서 생산하기 어렵습니다. 이 때문에 과학자들은 직접적인 측정보다는 이론적인 모델에 크게 의존해야 했습니다.

“p핵의 기원이 60년 넘게 연구 주제였음에도 불구하고 수명이 짧은 동위원소에 대한 중요한 반응의 측정은 거의 존재하지 않습니다”라고 Tsantiri는 말했습니다. “이런 종류의 실험은 이제 FRIB와 같은 시설을 통해서만 가능합니다.”

실험실에서 놀라운 반응 재현하기

이 연구에서 연구자들은 처음으로 방사성 비소-73에서 양성자 포획을 관찰함으로써 과정의 핵심 단계를 성공적으로 재현했습니다. 이를 위해 그들은 실험을 위해 특별히 비소-73 빔을 생성하고 이를 수소 가스로 채워진 챔버로 보냈습니다. 수소는 양성자의 공급원 역할을 하며 Summing Nal(SuN) 검출기의 중앙에 위치했습니다.

팀은 FRIB의 ReA 가속기를 사용하여 비소-73을 생산했는데, 이는 주 선형 가속기에 의존하지 않고 독립형 구성으로 작동했습니다. Katharina Domnanich가 이끄는 방사화학 그룹은 실험에 사용하기에 적합한 형태로 물질을 준비했습니다. 그런 다음 동위원소는 배치 모드 이온 소스에 배치되어 이온화되고 높은 에너지로 가속되어 표적에 전달되었습니다. 이 설정은 희귀 동위원소를 생산하고 연구하기 위한 ReA의 유연성을 입증했습니다.

셀레늄-74가 어떻게 형성되고 파괴되는지 추적

반응 중에 비소-73은 양성자를 흡수하고 들뜬 상태에서 셀레늄-74가 됩니다. 그런 다음 감마선을 방출하여 안정된 상태에 도달합니다. 연구자들은 역반응이 별 내부의 감마 과정에서 중요한 역할을 하기 때문에 이에 초점을 맞췄습니다. 정반응을 측정함으로써 그들은 역과정이 얼마나 빨리 일어나는지 결정할 수 있었습니다.

태양계에 얼마나 많은 셀레늄-74가 존재하는지 이해하려면 과학자들은 셀레늄-74의 생성과 파괴를 모두 고려해야 합니다. 남아 있는 가장 큰 불확실성 중 하나는 별이 폭발하는 동안 셀레늄-74가 감마선에 의해 얼마나 자주 분해되는지입니다.

모델은 개선되었지만 새로운 질문은 여전히 ​​남아 있습니다.

연구자들이 측정 결과를 천체 물리학 모델에 통합했을 때 예상되는 셀레늄-74 풍부도의 불확실성이 절반으로 줄었습니다. 이는 이 동위원소가 어떻게 생성되는지 이해하는 데 있어 상당한 개선을 의미합니다.

그럼에도 불구하고 업데이트된 모델은 여전히 ​​자연에서 관찰되는 것과 완전히 일치하지 않습니다. 이러한 격차는 과학자들이 초신성 폭발 내부 조건에 대한 가정을 개선해야 할 수도 있음을 시사합니다.

“이러한 결과는 우리가 우주에서 가장 희귀한 동위원소의 기원을 이해하는 데 한 걸음 더 가까워지게 해줍니다.”라고 FRIB의 물리학 교수이자 미시간 주립 대학교 물리학 및 천문학과의 Artemis Spyrou는 말했습니다. Tsantiri의 연구 고문이자 실험의 최초 설계자는 말했습니다. “Tsantiri의 작업은 해당 분야를 발전시키는 데 필요한 여러 학문 분야의 협력과 FRIB의 초기 경력 연구원을 위한 전문 개발 기회의 좋은 예입니다.”

협업 및 지원

이 연구는 미국 에너지부 과학부 핵 물리학부에서 부분적으로 지원을 받았습니다. 미국 국립과학재단; 미국 국가핵안보국; 캐나다 자연과학 및 공학 연구 위원회.

본 연구에 사용된 동위원소는 동위원소 연구개발 및 생산국(Office of Isotope R&D and Production)이 관리하는 미국 에너지부 동위원소 프로그램에서 공급한 것입니다.