우리 주변의 모든 물질이 안정적인 것은 아닙니다. 일부 물질은 방사성 붕괴를 거쳐 보다 안정적인 동위원소를 형성합니다. 텍사스 A&M 대학 사이클로트론 연구소(Texas A&M University Cyclotron Institute)의 고급 장비를 사용하여 과학자들은 처음으로 산소-13의 독특한 방사성 붕괴를 관찰하여 세 개의 헬륨 핵, 양성자 및 양전자를 생성했습니다.
과학자들은 이제 처음으로 새로운 붕괴 패턴을 관찰했습니다. 이 붕괴에서는 더 가벼운 형태의 산소인 산소-13(8개의 양성자와 5개의 중성자를 가짐)이 붕괴하여 3개의 헬륨 핵(주변 전자가 없는 원자), 1개의 양성자, 1개의 양전자(전자의 반물질 버전)로 쪼개집니다.
과학자들은 개별 원자핵이 부서지는 것을 관찰하고 부서진 생성물을 측정함으로써 이러한 붕괴를 관찰합니다.
과학자들은 이전에 "베타 플러스 붕괴"로 알려진 과정인 방사성 붕괴에서 흥미로운 패턴을 관찰한 바 있습니다. 이 과정에서 양성자는 중성자로 변하고 양전자와 반중성미자를 방출하여 생성된 에너지의 일부를 방출합니다. 초기 베타 붕괴 후에 생성된 핵은 여분의 입자를 끓일 수 있을 만큼 충분한 에너지를 갖게 되어 스스로를 더욱 안정하게 만듭니다.
이 새로운 붕괴 모드는 세 개의 헬륨 핵(알파 입자)과 하나의 양성자를 방출하는 베타 붕괴의 첫 번째 관찰입니다. 이번 발견을 통해 과학자들은 붕괴 과정과 붕괴 전 핵의 특성을 이해할 수 있게 되었습니다.
핵이 이 새로운 붕괴 모드의 베타 붕괴를 겪은 후에 생성된 입자의 이미지입니다. 생성된 핵은 3개의 헬륨 핵(α)과 1개의 양성자(p)로 분할되며, 이는 붕괴점(빨간색 원)에서 나옵니다. 이미지 출처: J.Bishop 제공
이 실험에서 연구자들은 텍사스 A&M 대학의 사이클로트론 연구소를 사용하여 고에너지(광속의 약 10%) 방사성 핵 빔을 생성했습니다. 그들은 이 방사성 물질(산소-13) 빔을 TexATTPC(Texas Active Target Time Projection Chamber)라는 장치로 보냈습니다. 이 물질은 이산화탄소 가스로 채워진 탐지기 내부에서 멈추고 약 10밀리초 후에 양전자와 중성미자를 방출하면서 붕괴(베타 플러스 붕괴)합니다.
연구진은 산소-13을 핵별로 검출 핵에 이식하고 붕괴를 기다린 후 TexATTPC를 사용하여 베타 붕괴 후 끓어오르는 입자를 측정했습니다. 다음으로, 그들은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 데이터를 분석하여 가스에 남겨진 입자의 흔적을 결정했습니다. 이러한 방식으로 그들은 베타 붕괴 후에 4개의 입자가 방출되는 드문 사건(1,200번의 붕괴마다 한 번만 발생)을 식별할 수 있었습니다.