금은 불안정한 원자핵이 부서질 때까지 형성될 수 없습니다. 그러한 핵 변형이 정확히 어떻게 전개되는지는 오랫동안 결정하기가 어려웠습니다. 이제 테네시 대학(UT)의 핵 물리학자들은 단일 연구에서 이 과정의 중요한 부분을 명확히 하는 세 가지 발견을 보고했습니다. 그들의 발견은 연구자들이 무거운 원소를 생성하는 항성 사건에 대한 개선된 모델을 구축하고 이국적인 원자핵의 행동을 더 잘 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다.
금이나 백금과 같은 무거운 원소는 별이 붕괴하거나 폭발하거나 충돌하는 등 특별한 조건에서 만들어집니다. 이러한 이벤트는 신속한 중성자 포획 프로세스(또는 줄여서 r-프로세스)를 촉발합니다. 이 과정에서 원자핵은 중성자를 빠르게 연속해서 흡수합니다. 핵이 더 무거워지고 불안정해짐에 따라 결국 더 가볍고 더 안정적인 형태로 분해됩니다.
핵종 차트의 이 경로를 따라 일반적인 순서는 모핵의 베타 붕괴와 두 개의 중성자 방출을 포함합니다. 이러한 반응에 관여하는 원자핵은 극히 드물고 불안정하기 때문에 실험에서 직접 연구하기가 어렵거나 심지어 불가능합니다. 이 때문에 과학자들은 실험실 데이터를 사용하여 테스트하고 개선해야 하는 이론적 모델에 크게 의존합니다.
CERN의 ISOLDE 시설로 희귀 핵 연구
프로세스를 보다 자세히 조사하기 위해 UT 연구원들은 여러 기관의 과학자들과 협력했습니다. 팀에는 UT 대학원생 Peter Dyszel과 Jacob Gouge, Robert Grzywacz 교수, Miguel Madurga 부교수, 연구원 Monika Piersa-Silkowska가 포함되었습니다. 그들의 작업은 또한 Zhengyu Xu 연구 조교수가 개발한 데이터 분석 방법을 기반으로 했습니다.
연구진은 다량의 희귀 동위원소인 인듐-134로 시작했습니다.
“이러한 핵은 만들기가 어렵고 충분한 양으로 합성하려면 많은 새로운 기술이 필요합니다”라고 Grzywacz는 설명했습니다.
연구팀은 풍부한 인듐-134 핵을 생산하고 순도를 보장하기 위해 고급 레이저 분리 기술을 사용하는 CERN의 ISOLDE Decay Station에서 실험을 수행했습니다. 인듐-134가 붕괴되면 여기된 형태의 주석-134, 주석-133, 주석-132가 생성됩니다.
국립과학재단(National Science Foundation) 주요 연구 장비 프로그램을 통해 자금을 지원받고 UT에 건설된 중성자 검출기를 사용하여 과학자들은 세 가지 주요 발견을 발견했습니다. 가장 중요한 결과는 베타 지연 2개 중성자 방출과 관련된 중성자 에너지를 최초로 측정한 것입니다.
“두 개의 중성자 방출이 가장 큰 문제입니다”라고 Grzywacz는 말했습니다.
베타 지연 2개 중성자 방출은 불안정하고 잠깐 동안만 존재하는 외래 핵에서만 발생합니다. 핵에서 두 개의 중성자를 분리하는 데 필요한 에너지는 극히 작지만, 이 실험에서는 측정할 수 있을 만큼 충분히 컸습니다.
“이것이 어려운 이유는 중성자가 튀어오르는 것을 좋아하기 때문입니다. 그것이 하나인지 두 개인지 말하기는 어렵습니다”라고 Grzywacz는 설명했습니다. 이전 시도에서는 “아무도 에너지를 측정하지 않았으므로” 이 접근 방식은 “완전히 새로운 분야를 엽니다.”
이 연구는 r-과정 경로를 따라 있는 핵으로부터의 2개의 중성자 방출에 대한 최초의 상세한 연구입니다. 결과는 항성 사건이 금과 같은 무거운 원소를 생성하는 방법을 설명하는 모델 개선에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.
오랫동안 기다려온 주석의 중성자 상태
팀의 두 번째 주요 발견은 주석-133에서 오랫동안 예측된 단일 입자 중성자 상태를 처음으로 관찰한 것입니다. Grzywacz에 따르면 핵은 들뜬 상태에서 시작되며 안정화되기 위해서는 에너지를 방출해야 합니다.
“주석은 여기 상태에 있습니다. (그것은) 냉각되어야 합니다. 중성자를 뱉어낼 수도 있고, 충분한 에너지가 있으면 중성자 두 개를 뱉어낼 수도 있습니다. 항상 중성자 두 개를 뱉어내야 하는데 그렇지 않습니다.”
전통적으로 과학자들은 주석 핵이 냉각을 위해 단순히 중성자를 방출하여 초기 베타 붕괴 사건의 흔적을 효과적으로 잃어버리게 한다고 믿었습니다. 이 시나리오에서 핵은 어떻게 형성되었는지 기억하지 못한 채 “기억상실 핵”처럼 행동합니다.
Grzywacz는 “우리는 주석이 잊지 않는다고 말합니다.”라고 말했습니다. “이 인듐의 ‘그림자’는 완전히 사라지지 않습니다. 기억은 지워지지 않습니다.”
첨단 중성자 탐지기를 통해 연구자들은 이 파악하기 어려운 핵 상태를 탐지할 수 있었습니다. 관찰 결과에 따르면 현재의 이론적 설명은 불완전하며 일부 붕괴에서는 중성자 1개를 방출하고 다른 붕괴에서는 중성자 2개를 방출하는 이유를 설명하기 위해 과학자들이 보다 정교한 틀이 필요하다는 사실이 시사되었습니다.
“사람들은 20년 동안 그것을 찾고 있었고 우리는 그것을 발견했습니다”라고 Grzywacz는 말했습니다. “그 두 개의 중성자를 통해 우리는 이 상태를 볼 수 있었습니다.”
그는 새로 관찰된 상태가 두 개의 중성자 방출 순서의 중간 단계를 나타낸다고 지적했습니다. 이는 또한 주석-133 핵의 최종 기본 여기를 나타내며 핵 구조 그림을 완성하는 데 도움이 되고 이론적 계산의 정확성을 향상시킵니다.
세 번째 발견으로 기존 모델에 도전
이 연구에서는 세 번째 중요한 결과도 밝혀졌습니다. 연구자들은 새로 확인된 이 주의 비통계적 인구를 관찰했습니다. 간단히 말해서, 붕괴 동안 상태가 채워지는 방식은 과학자들이 일반적으로 기대하는 패턴을 따르지 않습니다.
Grzywacz는 이번 실험의 붕괴 환경이 비교적 깨끗하다고 설명했습니다. 핵 보유국들은 함께 모여들기보다는 분리되어 있습니다.
“당신은 쪼개진 완두콩 수프를 만드는 것이 아닙니다”라고 그는 말했습니다. “그래도 대부분의 경우 완두콩 수프처럼 행동합니다. 어쨌든 이런 통계적 메커니즘이 발생합니다. 통계적이지 않아야 하는데 왜 통계적이며 우리 캐스트에서는 그렇지 않은 이유는 무엇입니까?”
이번 발견은 과학자들이 특히 테네신과 같은 이국적인 핵 중에서 안정성에서 더 멀리 떨어진 핵 환경 지역을 탐색함에 따라 기존 모델이 더 이상 적용되지 않을 수 있음을 시사합니다. 이러한 극단적인 시스템을 설명하려면 새로운 이론적 접근 방식이 필요할 것입니다.
새로운 발견을 이끄는 호기심
핵 구조 및 요소 형성에 대한 개선된 모델을 찾는 것은 Dyszel과 같은 초기 경력의 과학자들에게 중요한 기회를 제공합니다. 그는 2022년 Grzywacz 연구 그룹에 합류하여 실제 검토 편지 발견을 기술한 논문.
실험 중 그의 책임은 광범위했습니다. Dyszel은 중성자 추적 검출기용 프레임을 제작하고 이를 실험 장치 내에 조립했습니다. 그는 전자 시스템을 설치하고, 베타 검출기를 구축하고, 테스트 측정을 수행하고, 데이터 수집 소프트웨어 개발을 돕고, 타이밍 시스템을 조정하고, 결과 데이터를 분석했습니다. 그의 광범위한 역할에도 불구하고 이 프로젝트는 많은 연구자들이 참여하는 공동 노력으로 남아 있었습니다.
“이 작업의 성공은 부분적으로 지도와 건설적인 조언을 해준 동료와 협력자들 덕분입니다.”라고 그는 말했습니다.
원래 플로리다 주 잭슨빌 출신인 Dyszel은 노스 플로리다 대학에서 물리학 학사 학위를 취득한 후 UT에 입사했습니다. 핵 과학에 대한 그의 관심은 일반 화학 과정에서 베타 붕괴에 대해 처음 배웠을 때 시작되었습니다. 핵 변형이 다양한 특성을 지닌 완전히 새로운 원소를 생성할 수 있다는 생각이 그의 관심을 끌었고 처음에는 화학 학위를 고려하게 되었습니다.
“학사 학위를 시작하고 나서야 물리학 수업에 들어갔습니다. 그 수업이 저를 즉시 물리학 학위로 이끌었습니다.”라고 그는 설명했습니다. “나는 항상 세상이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 관심이 있었고 물리학은 그 호기심을 추구하기 위해 내가 따르고 싶은 길이었고 앞으로도 그럴 것입니다.”
