마인츠 요하네스 구텐베르크 대학 핵물리연구소(JGU) A1 공동연구팀이 중국, 일본 과학자들과 협력해 최초로 전자 산란을 이용해 중성자가 가장 풍부한 동위원소 중 하나인 수소-6을 제조하는 데 성공했다. Mainz MicroAccelerator(MAMI)의 분광계 시설에서 수행된 이 실험은 가볍고 중성자가 풍부한 핵을 연구하기 위한 새로운 방법을 제공합니다.이러한 발견은 새로운 통찰력을 제공하고 다핵 상호 작용의 기존 모델에 중요한 과제를 제시합니다.
일본 구겐하임 대학 핵물리연구소의 Josef Pochodzalla 교수는 “이 측정은 우수한 품질의 MAMI 전자빔과 A1 협력의 고해상도 분광기 3대의 독특한 조합 덕분에 가능했습니다.”라고 강조합니다. 이번 실험에는 중국 상하이 푸단대, 센다이 도호쿠대, 일본 도쿄대 연구진이 참여했다.
실험 작업은 박사과정 학생 Shao Tianhao가 주도했으며 Physical Review Letters에 게재되었습니다.
극도로 중성자가 풍부한 시스템의 핵 구조적 한계
핵물리학에서 가장 근본적인 질문 중 하나는 원자핵에 얼마나 많은 중성자가 결합될 수 있는지, 그리고 양성자의 수는 얼마나 되는지입니다. 단 하나의 양성자를 포함하는 기본 동위원소인 수소의 경우 친숙한 중수소와 삼중수소 핵 외에도 ⁴H에서 7H까지 중성자가 풍부한 동위원소도 많이 관찰되었습니다.
A1 실험 홀에 있는 3개의 고해상도 분광계 설정은 ⁶H를 감지하는 데 사용됩니다. 사진 제공: Ryoko Kino, Josef Pochodzalla
극히 무거운 수소 동위원소 ⁶H(양성자 1개와 중성자 5개로 구성)와 7H(중성자 1개 추가)는 현재까지 알려진 중성자 대 양성자 비율이 가장 높습니다. 이 질문에 답하는 독특한 시스템입니다. 그러나 이러한 이국적인 핵에 대한 실험 데이터는 부족하며 결과는 여전히 논란의 여지가 있습니다. 특히, ⁶H 바닥 상태 에너지가 높은지 낮은지에 대한 논란이 있어왔다.
A1 협력은 중국과 일본의 과학자들과 협력하여 ⁶H를 생산하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 방법에서는 855MeV(메가전자볼트) 에너지의 전자빔이 7Li 타겟에 충돌하여 2단계 과정을 통해 ⁶H를 생성합니다. 첫째, 리튬 핵의 양성자는 전자와의 상호 작용으로 인해 공명 여기되고 빠르게 중성자와 양전하를 띤 파이온으로 붕괴됩니다.
중성자가 핵의 다른 양성자로 에너지를 전달하면 나머지 핵과 결합하여 중성자가 풍부한 수소 동위원소 ⁶H를 형성할 수 있습니다. 파이온과 양성자는 핵을 떠나 3개의 자기 분광계에 의해 산란된 전자와 동시에 감지될 수 있습니다. 이 드문 프로세스에 대한 충분한 처리량을 달성하기 위해 전자빔은 한쪽을 따라 길이 45mm, 두께 0.75mm 리튬판을 통과합니다. 전자 산란 실험은 일반적으로 빔 축을 따라 매우 얇은 타겟을 사용하여 전자 빔이 전파 방향에 수직인 넓은 표면에 충돌할 수 있기 때문에 이는 매우 드뭅니다.
이 특정 장치는 MAMI의 탁월한 빔 품질, 특히 집중도가 높고 안정적인 전자 빔의 이점을 누리고 있습니다. 또 다른 과제는 리튬 자체를 처리하는 것입니다. 리튬은 화학적 반응성이 매우 높고 기계적으로 부서지기 쉬우며 온도에 민감하기 때문입니다.
4주간의 측정 캠페인 동안 예상대로 하루에 약 1건의 이벤트가 관찰되었습니다. MAMI의 드문 실험 중 하나에서는 A1 실험 홀에 있는 3개의 고해상도 분광계가 일치 모드에서 동시에 작동하여 3개의 입자를 동시에 감지할 수 있습니다. 이 정교한 장치는 극도로 낮은 배경 소음을 유지하면서 전례 없는 정밀도를 달성합니다.
새로운 측정은 바닥 상태 에너지가 매우 낮은 ⁶H에 대한 명확한 신호를 제공하며, 이는 6H의 중성자 간의 상호 작용이 최근 이론적 계산에서 예상된 것보다 더 강하다는 것을 나타냅니다. 이 결과는 중성자 풍부도가 극도로 높은 시스템에서 다핵자 상호 작용에 대한 우리의 이해에 도전합니다.
/ScitechDaily에서 편집됨