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끓는 핵을 찾아서

by 디기릭티틱티 디기릭티틱티 2021. 8. 31.

끓는 핵을 찾아서

현장에서 뜨거운 연구. 독일 다름슈타트에 있는 GSI.

 

중성자와 양성자의 "액체"는 충분히 높은 온도에서 끓어야 하지만 이 제안된 상전이를 관찰하는 것은 까다롭습니다. 가장 큰 문제는 정확한 온도계를 찾는 것입니다. 3년 전 국제 ALADIN 협력은 끓는 찻주전자가 섭씨 100도를 일정하게 유지하는 것처럼 더 많은 에너지가 추가됨에 따라 핵 물질이 일정한 온도에 도달하는 것으로 보이는 "칼로리 곡선"을 발표하여 파문을 일으켰습니다. 54PRL 에서 같은 그룹이 이전 온도계를 기존의 온도계와 직접 비교하고 불일치를 발견했습니다. 그러나 다른 온도는 핵 반응의 다른 부분에 기인합니다.

 

종종 물질의 집합적 특성을 설명하는 많은 응집 물질 물리학자들 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴원자가 충돌하는 것처럼 작고 수명이 짧은 시스템에 평형 및 온도와 같은 열역학적 개념을 적용하는 것은 놀라운 일입니다. 그러나 상당한 실험적 및 이론적 증거는 예를 들어 ALADIN의 두 금 핵 충돌에서 394개 핵자에 대한 열역학의 제한된 사용을 뒷받침합니다. 핵 물리학자들은 강한 힘에 의해 결속되어 있고 전자기력에 의해 결합되는 정상 물질과는 근본적으로 다른 핵 물질의 다양한 상태(또는 "상 다이어그램")를 탐구하기를 희망합니다. 이론가들은 충전되지 않은 핵 물질의 무한 덩어리의 "비등"을 예측하지만 실제 핵의 상전이에 대해서는 덜 확실합니다.

 

액체/기체 전이를 찾기 위해 표준 실험은 하나의 무거운 핵을 다른 핵에 부딪혀 압축을 일으킨 다음 밀도를 정상 핵 밀도의 1/2 또는 3분의 1로 줄이는 팽창을 포함합니다. 팽창해야 하는 큰 물방울처럼, 핵 덩어리는 결국 큰 덩어리로 파편화되지만, 현장의 많은 사람들에 따르면 일정 수준의 평형에 도달하기 전에는 그렇지 않으며 아마도 액체와 증기 상 사이의 "공존"을 달성할 수 있습니다. 이전 ALADIN 논문에서 팀은 헬륨과 리튬 동위원소의 수율 비율에 기반한 "온도계"를 사용했습니다. 더 뜨거운 핵 물질은 더 차가운 물질보다 덜 안정적인 동위원소를 더 많이 생성해야 합니다. 입력 에너지가 증가함에 따라 그들은 약 5 MeV(약 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴 K) 예상 전이 온도와 그리 멀지는 않지만 방법의 신뢰성에 대해 많은 질문이 제기되었습니다.

 

최신 작업에서 ALADIN 그룹은 이전 온도계를 보다 일반적인 온도계인 "여기 상태" 온도와 비교했습니다. 이 방법은 다음과 같은 불안정한 가벼운 핵의 단기 여기 상태를 재구성하는 데 의존합니다. 알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴알 수 없는 노드 유형: 글꼴, 그리고 그들이 Boltzmann 분포에 따라 채워졌다고 가정합니다. 두 가지 방법이 가장 낮은 빔 에너지에서 일치하지만 팀은 동위원소 온도가 증가하는 반면 여기 상태 온도는 빔 에너지의 전체 범위(핵자당 50~200MeV)에서 일정한 5MeV로 유지된다는 것을 발견했습니다. 그들의 해석은 일반적으로 고립된 가벼운 핵으로 측정되는 알려진 불안정한 여기 상태가 상대적으로 늦은 반응 단계에서 큰 조각의 표면에서만 형성된다는 것입니다. 큰 폭발하는 핵의 단순한 "폭발파" 모델은 동위원소 방법과 대략 일치하며, 저자들은 이 온도계를 분열 전 결합된 핵의 더 이른, 더 중심적인 온도와 연관시킵니다.

 

독일 다름슈타트에 있는 중이온 연구소(GSI)의 볼프강 트라우트만(Wolfgang Trautmann)ALADIN 협력자 중 한 명입니다. 그는 방법이 더 많은 연구가 필요하고 불일치에 대한 대체 설명이 존재하는 많은 어려움이 있음을 인정합니다. 그러나 그는 핵 물질의 액체/기체 전환을 확인하기 위해 가능한 한 방법을 추진하기로 결정했습니다. East Lansing에 있는 Michigan State UniversityBetty TsangALADIN 데이터를 전적으로 신뢰하지만 동위원소 온도를 잘못 해석하고 있을 수 있다고 생각합니다. "모든 흥미로운 물리학이 그렇듯이 처음에는 많은 논란이 있고 누가 옳은지는 아직 모릅니다."라고 그녀는 말합니다.

물질과 반물질은 우리가 알고 있는 물리 법칙과 관련하여 거의 완벽한 대칭을 나타내기 때문에 물리학자들은 초기 우주에 동일한 양의 물질과 반물질이 존재했을 것으로 예상합니다. 그러나 훨씬 더 정확한 천문학적 및 우주론적 관측의 일치는 보이는 우주가 물질에 의해 완전히 지배되고 어디에도 반물질이 거의 없음을 나타냅니다. 물질이 우세한 이유는 무엇입니까? 물리학자들은 이 질문에 대한 답이 시간의 화살표가 역전될 때 동일하지 않은 아원자 입자 상호작용과 같은 근본적인 대칭 위반에 있다고 생각합니다[ 1 , 2 ]. 이러한 위반 사항을 찾는 한 가지 유망한 접근 방식은 극성 분자 내의 특정 배 모양의 방사성 핵을 연구하는 것입니다.관점: 기본 대칭 테스트를 위한 설계자 분자 ). 연구에 따르면 이러한 분자의 에너지 스펙트럼은 대칭 위반에 대해 매우 민감한 프로브입니다[ 3 , 4 ]. 이러한 발견 가능성을 활용하기 위해 연구자들은 이러한 방사성 분자의 에너지 스펙트럼에 대한 더 나은 이해를 개발해야 합니다. 특히 분자의 핵과 전자 사이의 상호작용이 분자의 양자역학적 에너지 준위에 영향을 미치는 방식을 정량화해야 합니다. 매사 추세 츠 공과 대학의 실비 - 마리아 Udrescu와 동료들은 이제 라듐 모노 플루오 라이드의 양자 역학적 에너지 레벨 (RAF) 다른 라 동위 원소와 분자 [측정하여이 문제를 해결했다 (5)]. 다양한 Ra 동위원소의 핵 크기를 고려하여 팀은 이러한 에너지 수준의 동위원소 이동을 결정하고 분자 스펙트럼을 예측하는 데 사용되는 양자 화학 모델을 테스트했습니다[ 5 ]. 이 새로운 접근 방식은 연구원들이 이것과 다른 무거운 핵을 가진 분자를 사용하여 감도가 계속 증가하는 대칭 위반 테스트를 설계하는 데 도움이 될 것입니다.

 

이러한 분자로 대칭 위반을 테스트하려면 분자 에너지 수준에 대한 자세한 이해가 필요합니다. 핵은 전자와의 상호작용을 통해 원자의 에너지 준위에 영향을 줍니다. 무거운 핵의 경우 에너지 준위에 영향을 미치는 핵심 요소는 핵 부피 내 전자 밀도의 크기와 변동입니다. 원자의 에너지 준위 간 전이에 대한 레이저 분광 측정을 원자 이론과 결합하면 핵 모델과 무관한 방식으로 핵의 모양과 크기에 대한 정량적 정보를 추출할 수 있습니다[ 6]. 이 기술은 이러한 특성을 예측하는 것을 목표로 하는 핵 구조 이론의 강력한 테스트를 제공합니다. 특정 화학 원소에 대해 핵 내의 중성자 수를 변경하면 동위원소 이동이라고 하는 작지만 측정 가능한 원자 에너지 준위의 이동이 발생합니다. 동위원소 사슬에 대한 원자의 동위원소 이동 측정은 최근 연구에서 노벨륨에서 보여주듯이 원자핵의 모양과 크기의 변화를 보여주었습니다( Focus: Laser Bags a Giant Nucleus 참조 ) [ 7 ]. 이러한 동위 원소 이동은 분자에서도 관찰 가능하지만 지금까지 납보다 무거운 핵을 포함하는 분자에서 측정되지 않았습니다.

 

Udrescu와 동료들은 이제 레이저 분광법을 사용하여 일련의 Ra 동위원소(원자량 223226 228)에 대한 RaF의 동위원소 이동을 측정했습니다. 이러한 동위 원소 이동을 Ra 동위 원소의 크기에 대한 문헌 값과 결합하여 연구원들은 동위 원소 이동에 대한 핵 크기의 영향을 설명하는 양인 동위 원소 이동 상수를 추출했습니다. 그런 다음 그들은 측정된 동위원소 이동 상수를 양자 화학 계산에서 파생된 상수와 비교했습니다. 이 상수는 전자 양자 역학 파동 함수와 핵 부피의 중첩에 결정적으로 민감하기 때문에 이러한 실험과의 비교는 양자 화학 이론에 대한 엄격한 테스트를 제공합니다.

 

연구진은 라가 고 에너지 양성자 [와 우라늄 목표를 포격에 의해 CERN의 동위 원소 분리 온라인 장치 (이졸데)에서 동위 원소 생산 8 ]. 팀 결성 RaF+사불화탄소 가스가 있는 상태에서 이 타겟을 가열하여 분자 이온을 제거합니다. 이러한 분자 이온은 이후 추출되고, 질량 선택되고, 냉각되고, 묶이고 중화되어 Ra의 특정 동위 원소를 포함하는 중성 RaF 분자의 펄스 빔을 형성합니다. 관심 있는 에너지 전이의 분광 측정을 수행하기 위해 연구원들은 분자 스펙트럼을 통해 주파수를 스캔할 수 있는 레이저로 이러한 중성 분자를 조명했습니다. 공명하게 여기된 분자는 다른 고정 주파수에서 두 번째 레이저 빔으로 다시 이온화되었습니다. 그런 다음 이온 검출기는 조정 가능한 레이저 주파수의 함수로 생성된 RaF+ 분자 이온을 계산했습니다.

 

연구원들은 또한 상대론적 분자 이론 코드를 사용하여 동위원소 이동 상수를 계산했습니다. RaF 분자는 단 하나의 원자가 전자를 가지고 있지만 연구자들은 17개의 최외각 전자와 이들 간의 상관관계를 고려하여 계산을 수행했습니다. 그들은 또한 27개의 상관 전자를 사용하여 더 시간이 많이 걸리고 정확도가 더 높은 제한된 계산 세트를 수행하고 이 결과를 사용하여 17개 전자 계산의 결과를 확장했습니다. 계산은 핵전하 분포의 정확한 모양에 지나치게 민감하지 않았으며 실험 결과와 10% 이내로 일치했습니다. 또한 팀은 실험적으로 결정된 동위원소 이동 상수를 사용하여 프로브된 전이에 대한 바닥 상태와 여기 상태 사이의 유효 전자 밀도 차이를 추론했습니다. 이 차이,

 

이 작업의 결과는 이 기술이 중원소의 동위원소 사슬에 걸친 핵 모양과 크기의 변화를 연구하기에 충분한 정밀도로 분자 동위원소 이동을 측정할 수 있음을 나타냅니다. 이 결론은 고립된 원자보다 분자 형태로 접근할 수 있는 이국적인 악티늄족 핵의 핵 구조 연구에 중요한 의미를 갖는다. 또한 실험 데이터에 대한 양자 화학 계산의 성공적인 벤치마킹은 이러한 계산의 신뢰성이 기본 대칭 위반에 대한 방사성 분자의 감도를 결정하는 전자-핵 상호 작용을 이해하는 데 중요하기 때문에 특히 중요합니다.

 

Udrescu와 동료들이 연구한 protactinium [ 9 ]Ra [ 10 ] 과 같은 특정 방사성 배 모양의 핵 은 근본적인 대칭 위반[ 11 ]에 대해 절묘한 민감도를 가지고 있습니다 . 이 감도는 이러한 이국적인 핵이 RaF와 같은 극성 분자 내부에서 조사될 때 더욱 향상될 수 있습니다. 레이저 스펙트럼 분해능을 높임으로써 연구원들은 일산화토륨(ThO) 및 일산화프로탁티늄(PaO)과 같은 다른 방사성 분자뿐만 아니라 RaF에서 핵스핀 관련 효과를 연구할 수 있습니다. 분자 동위원소 이동에 대한 보다 정확한 측정은 연구자들이 새로운 유형의 이국적인 힘을 검색할 수 있게 해줄 수도 있습니다( 시놉시스: 암흑 입자의 힌트 참조 ).

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