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양성자와 중성자로 구성된 원자핵의 질량이 기준값에서 크게 벗어나.
이온 측정으로 편차 확인. 참조값 수정필요

듀테론(Deuteron)이 너무 가벼워
양성자와 중성자로 구성된 원자핵의 질량이 기준값에서 크게 벗어난다.

근본적인 편차 :
현재까지 가장 정확한 측정 결과에 따르면, 가장 작은 원자핵 중 하나가 공식 기준값에 따른 것보다 가볍다. 따라서 한 개의 양성자와 한 개의 중성자로 구성된 핵인 중수소는 기준값보다 훨씬 낮은 질량을 갖는다. 이는 공식적으로 설정된 가이드 값에 비해 기본 원자 구성 요소의 편차를 증가시킨다.

▲ 기본 입자의 질량은 이러한 Penning 트랩에서 측정 할 수 있다. © MPI 핵물리 연구소

물질의 기본 구성 요소인 양성자, 중성자 및 전자는 원자와 분자의 행동을 형성한다.
그들의 특성을 정확히 아는 것은 많은 자연 상수에 대해서도 필수적이다. 그러나 그것을 측정하는 것은 어렵고 큰 불확실성으로 가득 차 있다. 예를 들어, 최근 몇 년 동안 연구자들은 양성자의 반경과 질량을 포함하여 참조 값에서 상당한 편차를 반복적으로 발견했다.

"저울"에 올려진 듀테론

하이델베르크에 있는 막스 플랑크 핵물리 연구소의 사샤 라우와 함께 일하는 연구원들은 중수소의 원자핵 중수소에 대한 불일치를 새롭게 발견했다. 양성자와 중성자로 구성되어 있으며 구조가 단순하여 기초 물리 이론에 대한 민감한 테스트가 가능하다.
중수소의 질량은 양성자 외에 원자핵의 두 번째 구성 요소인 중성자의 질량을 유도하는 데에도 사용할 수 있다.

듀테론의 무게를 측정하기 위해 연구자들은 펜닝(Penning) 트랩으로 알려진 것을 사용했다.
그 안에서 강한 자기장은 하전 된 원자핵을 현탁 상태로 유지하고 그들을 원형 경로로 안내다. 이 궤도의 궤도 시간은 입자의 질량에 따라 다르다. 무거운 입자는 가벼운 입자보다 궤도 주파수가 낮다. 빔 균형과 유사하게 과학자들은 "보정 무게"(이 경우 6배 양전하 탄소 이온)를 사용하여 질량을 결정한다.

예상보다 훨씬 가벼움

“우리는 듀테론과 탄소 이온을 각각 준비하고 그 중 하나를 저장 트랩에서 그 사이에 내장된 정밀 트랩으로 번갈아 옮겼으며 그 움직임을 매우 정확하게 측정했다”고 Rau는 설명한다.
"두 이온 주파수의 결과 비율은 직접적으로 원자 단위로 중수소의 질량을 제공한다.“
정의에 따라 원자 단위는 탄소-12 동위 원소의 열두 번째 부분이다.

놀라운 결과 :
이러한 측정에 따르면 중수소의 질량은 원자 단위 2.013553212535 이다.
따라서 이 값은 현재 유효한 기준값에서 4.5 표준 편차를 벗어난다. 너무 낮다.
듀테론은 예상보다 훨씬 가볍다.
동시에 현재 측정은 지금까지 가장 정확하다.
"상대적 불확실성이 1조당 8개 부품으로, 이것은 직접 측정되고 원자 단위로 제공되는 가장 정확한 값이다"고 연구원들은 말했다.

▲ 연구원들은 측정치를 탄소 -12와 비교해 중수소와 HD이온의 질량을 결정했다. 비교를 위해 HD의 질량은 양성자, 중수소 및 결합 에너지 (회색 화살표)의 질량으로도 계산할 수 있다. © MPI für Kernphysik

이온 측정으로 편차 확인

그러나 불일치를 어떻게 설명 할 수 있을까? 이것이 측정의 체계적인 오류일 수 있는가?
이를 확인하기 위해 Rau와 그의 팀은 이번에는 Deuterium-Ion HD+로 또 다른 측정을 수행했다. 이것은 중수소 핵과 추가 양성자로 구성된다.
그들은 측정 결과를 이전에 결정된 양성자, 전자 및 이러한 3 개 입자 시스템의 결합 에너지에 대한 질량과 비교했다.

이 검사는 중수소 이온에 대해 3.021378241576 원자 질량 단위의 질량을 나타냈다.
라우스(Raus)의 동료 스벤 스투름(Sven Sturm)은 "결과는 우리가 직접 측정한 값과 완벽하게 일치한다. 우리 데이터에서 얻은 양성자에 대한 중수소의 질량비는 다른 그룹에서 직접 측정 한 값과 매우 잘 맞다”고 말했다.

"참조 값을 수정해야 한다"

연구자들에 따르면 이것은 듀테론이 이전에 참조 값에 명시된 것보다 실제로 더 가볍다는 것을 확인시켜 준다. 양성자 이후에 이 가벼운 원자핵의 값도 수정되어야 한다고 Rau와 그의 동료들은 말했다. 새로운 측정 데이터는 또한 이전에 더 가벼운 핵 덩어리에 존재했던 불일치를 크게 줄인다.

그러나 이러한 모든 편차를 완전히 설명하려면 초 중수소(삼중 수소)와 가벼운 헬륨에 대한 추가 고정밀 질량 측정 (원자 단위로 직접)이 필요하다.
(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2628-7)

출처 : Max Planck Institute for Nuclear Physics

[더사이언스플러스] "No Science, No Future" 

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