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May 30, 2023

핵 시계 전환의 광자가 마침내 보입니다.

토륨-229 핵 전이에 대한 최초의 직접 측정이 이루어졌습니다.

최초의 직접적인 측정은 잠재적으로 "핵 시계"의 기초를 형성할 수 있는 토륨-229 핵 전이에 대해 이루어졌습니다. CERN에서 수행된 이 연구는 전이의 존재를 확인했지만 결과적으로 방출된 광자를 감지하지 못한 2016년 실험을 따릅니다. 작동하는 시계가 만들어지기까지는 많은 작업이 남아 있지만, 그러한 장치가 가능하다는 것이 입증된다면 기초 물리학 연구를 위한 중요한 도구가 될 수 있습니다.

오늘날 가장 정확한 시계는 스트론튬이나 이테르븀과 같이 광학적으로 갇힌 원자 집합을 기반으로 합니다. 안정성이 매우 높은 레이저는 특정 원자 전이의 주파수와 공명하도록 고정되어 있으며, 레이저 진동은 효과적으로 진자 스윙처럼 동작합니다. 비록 훨씬 더 높은 주파수와 그에 따른 정밀도가 더 높기는 하지만 말입니다. 이 시계는 1020년의 1부분 내에서 안정적일 수 있습니다. 즉, 우주의 나이인 137억년 작동 후에 단 10ms만 벗어나게 됩니다.

원자 시계는 훌륭한 시간 기록원일 뿐만 아니라 물리학자들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 광학 트랩에 갇힌 원자에 어떻게 적용되는지와 같은 다양한 기본 현상을 연구하는 데 원자 시계를 사용했습니다. 더 큰 정확성과 더 깊은 통찰력을 찾기 위해 2003년 독일 브라운슈바이크에 있는 Physikalisch-technische Bundesanstalt의 Ekkehard Peik과 Christian Tamm은 원자의 전자 에너지 수준이 아니라 핵 에너지 수준을 조사하여 시계를 생산할 수 있다고 제안했습니다.

이러한 핵시계는 외부 소음으로부터 매우 잘 격리됩니다. "원자는 지름이 10-10m 정도이고 핵은 10-14m 또는 10-15m 정도입니다"라고 이번 연구에 참여한 벨기에 KU Leuven의 Sandro Kraemer는 설명합니다. "핵은 환경에 대한 훨씬 작은 안테나이므로 이동하는 경향이 훨씬 적습니다."

따라서 핵시계는 전자기 상호 작용의 강도를 정량화하는 미세 구조 상수와 같은 기본 상수 값의 가상적이고 매우 작은 시간적 변화에 대한 훌륭한 프로브일 수 있습니다. 그러한 변화는 표준 모델을 넘어서는 물리학을 가리킬 것입니다. 더욱이 핵 결합은 원자 결합보다 강하므로 에너지 준위 사이의 이동은 에너지가 더 높고 고주파 레이저와 공명하여 더 작은 변화를 감지할 수 있습니다.

그러나 대부분의 핵 전이는 오늘날의 레이저에 의해 생성될 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 주파수에서 발생하기 때문에 이것은 양날의 검입니다. 그러나 토륨-229는 바닥 상태보다 약 8eV 높은 준안정 여기 상태를 가지고 있습니다. 이는 진공 자외선에 있는 전이입니다.

Kraemer는 이 상태를 여기시키기 위한 레이저를 만드는 것이 거의 가능하다고 설명합니다. "현재 우리가 알고 있는 3000개 정도의 방사성 핵 중에서 토륨은 레이저 여기에 적합한 상태를 갖는 유일한 핵입니다."

그러나 먼저 연구자들은 전환의 정확한 빈도를 알아야 합니다. 실제로 붕괴는 오랫동안 이론으로 예측되어 왔지만 방출된 광자를 탐지하려는 시도는 성공하지 못한 것으로 판명되었습니다. 그러나 2016년 뮌헨 루드비히 막시밀리안 대학교 연구진은 핵 붕괴 에너지가 원자를 이온화하는 내부 전환이라는 과정에서 전자 방출을 측정해 간접적으로 그 존재를 확인했다.

물리학자들은 가장 낮은 핵 여기 상태의 에너지를 측정합니다.

이제 Kraemer와 동료들은 여기된 토륨-229 이온을 연구하여 방출된 진공 자외선 광자를 처음으로 직접 감지했습니다. 기본 아이디어는 새로운 것이 아니지만 이전에 연구자들은 여기된 토륨-229로 붕괴될 수 있는 우라늄-233을 결정에 주입하여 이를 수행하려고 시도했다고 Kraemer는 말합니다. 문제는 이것이 4 MeV 이상의 에너지를 결정으로 방출한다는 점인데, 이는 결정을 손상시켜 광학 특성을 방해하기 때문에 "암을 죽이는 데는 좋지만 우리에게는 정말 좋지 않습니다".

따라서 새로운 연구에서 연구진은 CERN의 ISOLDE 시설을 사용하여 불화마그네슘과 불화칼슘 결정에 악티늄-229 이온을 주입했습니다. 이들은 β-붕괴에 의해 준안정 여기 토륨-229 핵으로 붕괴될 수 있으며, 이는 결정으로 4배 더 적은 에너지를 방출합니다. 따라서 연구진은 광자를 감지하고 전이 에너지를 측정할 수 있었습니다. 최종 정밀도는 시계를 만드는 데 필요한 불확실성에 비해 여전히 훨씬 부족하며, 연구원들은 현재 이를 개선하기 위해 레이저 물리학자들과 협력하고 있습니다.