미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 새로운 장치가 불안정한 루테늄 핵을 매우 정확하게 측정했습니다. 이 측정은 정교한 핵 모델의 예측과 밀접하게 일치하기 때문에 핵물리학에서 중요한 이정표입니다.
"이론적 모델이 복잡하고 불안정한 핵의 특성을 예측하는 것은 매우 어렵습니다"라고 Argonne의 보조 물리학자이자 이번 연구의 주요 저자인 Bernhard Maass가 말했습니다. "우리는 고급 모델 클래스가 이를 정확하게 수행할 수 있음을 입증했습니다. 우리의 결과는 모델을 검증하는 데 도움이 됩니다."
모델을 검증하면 천체 물리학 과정에 대한 예측에 대한 신뢰를 구축할 수 있습니다. 여기에는 원소가 생성되는 별의 형성, 진화 및 폭발이 포함됩니다.
이 연구는실제 검토 편지.
이론적 모델을 검증할 필요성
핵물리학자들은 복잡한 구조, 모양, 힘을 지닌 불안정한 원자핵의 특성을 정확하게 예측하기 위해 더욱 발전된 이론 모델을 개발하고 있습니다. 그러한 모델은 원자핵의 내부 작용에 대한 우리의 이해를 심화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
그러나 과학의 한계를 뛰어넘는 데 사용되기 전에 이러한 모델의 정확성을 입증하는 것이 필수적입니다. 이를 위해서는 복잡한 핵에 대한 정확한 실제 측정값을 수집하고 측정값을 모델의 예측과 비교하는 어려운 작업이 필요합니다.
루테늄은 고급 이론 모델을 검증하는 데 이상적인 요소입니다. 이 희귀 금속은 중성자 수가 다르고 안정성이 다양한 동일한 원소의 동위원소-원자를 갖고 있으며-복잡한 구조와 모양의 핵을 갖고 있는 것으로 알려져 있습니다. 아몬드나 커피콩과 유사한 삼축 모양을 갖는 것으로 여겨지는 일련의 불안정한 방사성 루테늄 동위원소가 있습니다.
루테늄의 특성 측정
연구팀은 ATLANTIS(Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy) 장치를 사용하여 9개의 방사성 루테늄 동위원소를 측정했습니다. 이 새로운 장치는 ATLAS(Argonne Tandem Linac Accelerator System)에 설치되었습니다.
ATLAS는 핵의 특성을 연구하도록 설계된 초전도 선형 가속기를 갖춘 Argonne의 DOE 사용자 시설입니다.
연구원들은 다른 ATLAS 장비인 CARIBU(Californium Rare Isotope Breeder Upgrade)에서 방사성 루테늄 동위원소에 접근할 수 있었습니다. CARIBU는 희귀하고 방사성이 높은 원소인 소량의 캘리포늄-의 핵분열을 통해 방사성 루테늄을 전달할 수 있습니다.
Maass는 "우리가 연구한 루테늄 동위원소는 다른 원소로 붕괴되기 전까지 단 1초만 지속됩니다"라고 말했습니다. "ATLANTIS는 공선형 레이저 분광학이라는 기술을 수행합니다. 이를 통해 1초 이내에 매우 적은 양의 동위원소에 대한 측정값을 수집할 수 있습니다."
연구진은 ATLANTIS를 사용하여 루테늄 원자 빔과 동일한 경로를 따라 레이저 빔을 유도했습니다. 특정 레이저 주파수에서 원자는 여기되어 형광을 발하기 시작했는데, 이는 광자가 방출되었음을 나타냅니다. 연구팀은 광자 방출이 최고조에 달하는 레이저 주파수를 식별했습니다. 이 과정은 9개의 루테늄 동위원소에 대해 반복되었습니다. 각 동위원소에 대해 방출 피크는 약간 다른 주파수로 이동했습니다.
Maass는 “우리는 동위원소의 핵 크기 차이를 도출하기 위해 이러한 동위원소 이동을 이용할 수 있다”고 말했다.
팀은 이러한 크기 변화를 세계에서 가장 진보된 핵 구조 중 하나인 BSkG(Grid) 모델에 대한 브뤼셀-Skyrme-의 예측과 비교했습니다. 기존의 전통적인 핵 모델과 달리, 이 모델은 핵의 모든 중성자와 양성자 사이의 특정 힘과 상호 작용을 설명합니다.
연구자들은 결과와 BSkG 모델의 예측 사이에 탁월한 일치를 발견하여 모델의 견고성을 지적했습니다.
특히, 연구팀은 정확한 측정을 위해 공선형 레이저 분광학 기술도 발전시켰습니다. 특히 그들은 원자빔을 중화하고 이를 펄스로 "뭉치게"하는 효과적인 새로운 기술을 개발하고 구현했습니다.
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천체 물리학에 대한 시사점
이 연구는 BSkG 모델이 불안정한 삼축 핵을 놀라운 정확도로 예측할 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 강력한 모델은 천체물리학자들이 우주가 어떻게 작동하는지 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다.
“천체물리학자들은 불안정한 방사성 핵이 우주의 별과 원소의 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 알고 있습니다.”라고 Maass는 말했습니다.
"우리 우주를 더 잘 이해하려면 핵이 어떻게 구성되어 있고 어떻게 상호 작용하는지 알아야 합니다. 현대 입자 가속기에서는 생성할 수 없는 이국적인 핵의 특성을 예측할 수 있어야 합니다."
이 연구의 저자 중 3명이 BSkG 모델을 개발했습니다. 두 사람 모두 벨기에 브뤼셀 대학(Université libre de Bruxelles)의 Wouter Ryssens와 Guilherme Grams, 프랑스 Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon의 Michael Bender입니다.
Maass, Ryssens, Grams 및 Bender 외에도 ATLANTIS의 실험과 건설은 Argonne(Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard 및 Adrian Valverde), 독일 다름슈타트 기술 대학 및 미시간 주립 대학의 희귀 동위원소 빔 시설의 연구원들 간의 협력으로 이루어졌습니다.
ATLANTIS는 다양한 연구 요구에 맞게 공선형 레이저 분광학 측정을 수행하기 위해 협력 기관에서 사용할 수 있습니다. 협업 기회를 알아보려면 Maass에 문의하세요.
