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- 양성자와 중성자는 원자핵 내부를 돌아다니며 서로 역동적으로 상호작용
- 원자핵의 자기 모멘트가 다시 계산됐다.
- 레이저 분광법으로 특이하고 수명이 짧은 핵의 자기 모멘트를 매우 정확하게 결정

원자 내부를 더욱 정밀하게 관찰
원자핵의 자기 모멘트가 다시 계산됐다.

원자핵은 작은 자석이 될 수 있다. 지금까지 그들의 자기 모멘트는 측정하기 쉬웠지만, 계산은 부적절했다. 이제 물리학자들은 처음으로 원자핵 내 기본 입자 간의 상호 작용을 고려해 이 문제를 해결했다. 계산은 측정된 값과 더 잘 일치하며 미래의 중성미자 세계에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다. 

▲ 양성자와 중성자가 원자핵에서 하전 입자를 교환할 때 소위 2-입자- 전류가 흐른다. 물리학자들은 이제 새로운 계산에서 이를 고려했다. © agsandrew

양성자와 중성자는 원자핵 내부를 돌아다니며 서로 역동적으로 상호작용한다. 예를 들어, 짧은 기간 쌍을 형성한다. 이러한 핵입자의 움직임과 그 자체의 각운동량은 자기 모멘트를 유도하여 원자핵을 작은 자석으로 바꿀 수 있다.

다름슈타트 공과대학교의 아킴 쉬벵크(Achim Schwenk)는 “레이저 분광법을 사용하면 특이하고 수명이 짧은 핵의 자기 모멘트를 매우 정확하게 결정할 수 있다”고 설명했다. 따라서 원자핵의 자기 모멘트는 비교적 쉽게 측정할 수 있지만, 이론적으로 계산하는 것은 지금까지 훨씬 더 어려웠다. 그 결과, 많은 원소의 핵마다 실험적으로 측정되고 계산된 값이 달랐다.

원자핵에서 두 입자 흐름

Schwenk와 제1저자 타카유키 미야기(Takayuki Miyagi)가 이끄는 팀은 이제 자기 모멘트를 보다 정확하게 계산하는 방법을 찾았다. 처음으로 물리학자들은 가벼운 요소의 다양한 핵심 입자가 레이저의 빛과 상호 작용할 뿐만 아니라 자기 모멘트를 측정하는 동안 상호 작용한다는 사실을 계산에 포함시켰다.

양성자와 중성자는 서로 하전 입자를 교환하여 소위 2입자 전류가 원자핵에 흐른다고 연구진은 설명했다. Miyagi는 “두 입자 전류를 고려하면 자기 모멘트 계산이 크게 향상되었다”고 말했다.

원자핵의 보다 정확한 계산 가능

물리학자들이 보고한 바와 같이, 원자핵의 자기 모멘트의 계산된 값은 이제 특히 무거운 핵의 경우 이전보다 측정된 값과 더 잘 일치한다. 새로운 계산은 산소와 같은 상대적으로 가벼운 것부터 비스무트와 같은 무거운 것까지 다양한 원소나 동위원소의 핵에도 적용되었다.

결과는 또한 핵 껍질 안정화 이론에 따라 칼슘 동위원소인 48Ca 및 40Ca와 같은 일부 핵이 다른 핵보다 더 안정적이라는 것을 보여준다. 따라서 특정 "마법의 수"의 양성자와 중성자를 가진 원자핵은 껍질이 완전히 채워져 있기 때문에 특히 견고하다.

중성미자에 대한 새로운 통찰력이 눈에 들어오나?

Schwenk는 “우리는 이제 원자핵을 설명하는 데 있어서 결정적인 진전을 이루었다”고 말했다. 이는 무엇보다도 원자시계 개발에 도움이 된다. 하지만 물리학자들이 강조하는 것처럼 아원자 세계에는 아직도 발견할 것이 많다. Schwenk는 "전자기적 특성과 전자기장에 따른 핵의 행동도 이해되었으므로 이제 다음 질문을 해결할 수 있다"고 말했다. 예를 들어, 두 입자 흐름을 포함하면 원자핵과 상호 작용할 수 있는 중성미자의 특성에 관한 연구를 포함해 핵 및 입자 물리학의 추가적인 혁신에 기여할 수 있다.
(Physical Review Letters, 2024; doi: 10.1103/PhysRevLett.132.232503)
출처: Technische Universität Darmstadt

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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