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Oct 02, 2023

독일 연구원들은 핵시계 제작에 한 걸음 더 다가갔습니다.

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독일의 다양한 연구소 연구원들 간의 협력을 통해 우리는 최초의 핵 시계 제작에 한 걸음 더 가까워졌습니다. 유럽입자물리연구소(CERN)에서 수행한 실험에서 연구진은 토륨-229 핵 이성질체의 방사성 붕괴를 측정했는데, 이는 이러한 위업을 달성한 최초의 사례이자 핵 시계를 만드는 데 중요한 구성 요소입니다.

수년 동안 원자시계는 시계에 관한 정확성의 표준이었습니다. 최고의 광학 원자시계는 10-18의 정밀도를 가지며, 이는 300억년마다 1초의 부정확성에 해당합니다.

핵광학시계는 최소 10배 이상 정확할 것으로 예상된다. 20여년 전에 처음 제안되었지만 연구자들은 최근 몇 년간 몇 가지 주요 발견을 거친 후에야 그 방향으로 약간의 진전을 이룰 수 있었습니다.

마인츠 요하네스 구텐베르크 대학교의 보도 자료에 따르면, 과학계에 큰 반향을 불러일으킨 발견은 토륨-229 이성질체를 직접 검출한 것입니다. 이성질체는 핵이 더 높은 에너지 상태에 있는 원자입니다. 이는 특정 주파수의 빛을 사용하여 달성할 수 있습니다.

원자시계의 경우, 연구자들은 원자의 전이를 불러일으키는 데 사용되는 빛의 주파수를 시간 측정 단위로 사용합니다. 그러나 핵시계의 경우 원자핵만을 여기시키는 데 사용되는 빛의 주파수가 사용됩니다. 원자핵은 구조가 더 조밀하고 전자기 모멘트가 작기 때문에 외부 간섭에 덜 민감합니다.

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이성질체가 바닥 상태로 돌아갈 때 과학자들이 복사 붕괴라고 부르는 과정인 광자를 방출하며 이는 측정에 중요합니다. 그러나 이전에는 연구자들이 붕괴를 정확하게 측정하지 못했습니다. 이 장애물은 최근 다양한 독일 연구 기관의 연구자들의 공동 노력을 통해 극복되었습니다.

실험은 악티늄-229 원자가 불화칼슘이나 불화마그네슘 결정에 주입되어 토륨-229로 붕괴되도록 방치된 CERN의 ISOLDE 시설에서 수행되었습니다. 연구팀은 자외선 파장 148nm, 전이에너지 8.338전자볼트의 광자를 측정했다.

이는 이성질체의 에너지를 가장 정확하게 측정한 것이며 이전 결과와 비교했을 때 정확도가 7배 향상되었다고 연구원들은 주장합니다. 핵시계를 만들기 전에 훨씬 더 많은 작업이 필요하지만 연구에 따르면 토륨-229가 핵시계를 만드는 데 가장 좋은 방법인 것으로 나타났습니다.

이번 연구 결과는 네이처(Nature) 저널에 게재됐다.

연구 개요:

​​방사성 핵종 토륨-229는 핵 상태를 레이저로 직접 조작할 수 있는 여기 에너지가 매우 낮은 이성질체를 특징으로 합니다. 이는 차세대 광시계에 사용하기 위한 유력한 후보 중 하나입니다. 이 핵시계는 기초 물리학의 정밀한 테스트를 위한 독특한 도구가 될 것입니다. 그러한 특별한 핵 상태의 존재에 대한 간접적인 실험적 증거는 상당히 오래되었지만, 그 존재에 대한 증거는 이성질체의 전자 전환 붕괴를 관찰함으로써 최근에야 전달되었습니다. 이성질체의 여기 에너지, 핵 스핀 및 전자기 모멘트, 전자 변환 수명 및 이성질체의 정제된 에너지가 측정되었습니다. 최근의 진전에도 불구하고 핵시계 발달의 핵심 요소인 이성질체의 방사성 붕괴는 아직까지 관찰되지 않았습니다. 여기서 우리는 토륨-229(229mTh)에서 이 저에너지 이성질체의 방사성 붕괴를 감지한 것을 보고합니다. CERN의 ISOLDE 시설에서 밴드갭이 큰 CaF2 및 MgF2 결정에 통합된 229mTh의 진공-자외선 분광학을 수행함으로써 최근 측정치와 일치하게 8.338(24)eV의 광자가 측정되었으며 불확실성은 7배만큼 감소했습니다. MgF2에 내장된 229mTh의 반감기는 670(102)s로 결정됩니다. 큰 밴드갭 결정에서 방사성 붕괴를 관찰하는 것은 미래의 핵시계 설계에 중요한 결과를 가져오며 에너지의 불확실성이 향상되어 원자핵의 직접적인 레이저 여기에 대한 탐색이 쉬워집니다.