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82년 전 베테와 폰 바이채커 이론 확인돼. CNO 사이클에서 탄소,질소,산소는 융합 반응 촉매.
뉴트리노는 융합메신저. CNO융합은 전체 융합의 1%.
보렉시노 탐지기(Borexino Detector)에서 실험적으로 증명

태양에서 입증된 두 번째 융합 경로
뉴트리노, 82년 전 추정된 CNO 융합주기 확인

천체 물리학의 이정표 :
연구자들은 82년 전에 예측된 융합 반응인 이른바 태양의 CNO주기에서 중성미자를 처음으로 발견했다. 양성자는 직접 융합되지 않지만 탄소, 질소 및 산소와 같은 무거운 원소의 촉매 작용을 통해 헬륨에 융합된다. 이 CNO 순환의 첫 번째 직접적인 증거가 최근 별 연구에 중요한 돌파구인 중성미자를 통해 달성됐다. 

▲ Borexino 감지기는 태양 중성미자의 도움으로 태양에서 두 번째 융합 경로에 대한 직접적인 증거를 제공했다. © Maxim Gromov and Borexino collaboration

우리 태양은 핵융합으로부터 에너지를 얻는다.
수소는 헬륨으로 변합니다. 이러한 융합 반응의 거의 99%는 양성자의 직접 융합을 통해 우리 별에서 발생한다. 그러나 일찍이 1938년에 물리학자 한스 베테(Hans Bethe)와 칼 프리드리히 폰 바이재커(Carl Friedrich von Weizäcker)는 두 번째 합병이 있어야 한다고 가정했다. 소위 CNO 사이클에서 원소 탄소, 질소 및 산소는 융합 반응을 촉매한다.

융합 메신저로서의 뉴트리노

태양에서 이 CNO 융합은 모든 융합 과정의 약 1%만을 차지한다.
그러나 더 무거운 별에서는 우세한 핵융합 반응으로 모델링된다. “CNO 순환은 우주에서 수소를 헬륨으로 별 변환하는 주요 메커니즘이다”고 보렉시노(Borexino) 공동협력의 지오아키노 라누치(Gioacchino Ranucci)와 동료들은 설명했다. 그러나 그 중요성에도 불구하고 별에서 이 융합 경로를 직접적으로 보여주는 것은 아직 불가능했다.

▲ Laboratori Nazionali del Gran Sasso

▲ Borexino Detector 이 탐지기는 Gran Sasso 실험실 C에 있다.

이제 바뀌었다. CNO주기의 이론적 예측이 있은 지 82년이 지난 지금, Borexino 협력 연구자들은 그것을 실험적으로 증명했다. 그들은 융합 반응의 부산물로 방출되는 거의 질량이 없는 입자 태양 중성미자의 도움으로 이것을 달성했다.
수백억 개의 이러한 중성미자는 매초 우리 몸을 통해 눈에 띄지 않게 통과한.
그러한 입자가 발생하는 융합 반응은 무엇보다도 에너지에서 읽을 수 있다.

▲ CNO 융합주기 설명 도표 © CWitte / CC-by-sa 3.0

지하 실험실의 섬광

그러나 문제는 CNO 융합으로 인한 중성미자는 비교적 드물고 최대 약 1천700 KeV(킬로 전자 볼트)의 다소 낮은 에너지를 가진다. 이것은 방사성 붕괴 반응 중에 방출되는 중성미자와 혼동하기 쉽다. 따라서 CNO 중성미자를 감지 할 수 있으려면 이러한 붕괴에 대해 최대한 보호되는 감지기가 있어야 한다.

그러한 검출기 중 하나는 Gran Sasso 실험실의 Borexino이다.
지하 중성미자 감지기는 두꺼운 암석층, 강철 쉘 및 여러 액체 탱크에 의해 외부 세계로부터 보호된다. 이 구조물의 중앙에는 278톤의 유기 액체로 채워진 탐지기 탱크가 있다. 중성미자가 그 안의 액체 원자 중 하나와 충돌하면 작은 빛의 섬광이 생성되어 광센서에 의해 등록된다.

▲ 탐지기 모형

태양광 CNO 중성미자를 찾기 위해 연구원들은 2016년 7월부터 2020년 2월까지 탐지기 데이터를 평가하고 이를 광범위하고 통계적으로 필터링했다.

초당 7 억 2 천만 CNO 중성미자 및 제곱 센티미터

그들은 실제로 찾고 있는 것을 발견했다.
다른 소스에서 나온 많은 중성미자 중에서 처음으로 CNO 융합에서 나온 입자도 확인했다.
그들의 탐지기는 하루 평균 7.2개의 CNO 중성미자와 100톤의 액체를 등록했다. 이러한 CNO 중성미자의 대부분이 눈에 띄지 않는다고 가정하면 실제 양은 엄청나다.
"이것은 1초마다 1㎠(평방센티미터)로 지구로 흐르는 7억 2천만 CNO 중성미자로 전환될 수 있다"고 Borexino 과학자들은 설명했다.

이 융합 경로에서 형성된 중성미자를 통해 태양에서 CNO주기를 직접 감지 할 수 있었던 것은 이번이 처음이다. 과학자들은 그러한 CNO 융합이 태양에서 일어나고 있다는 것과 이로써 Bethe와 von Weizäcker의 82년 된 이론을 함께 확인했다.
동시에 측정된 값은 이 융합 경로가 전체 태양 융합 반응의 약 1%를 차지하는 모델과 일치한다.

▲ 보렉시노 탐지기 Borexino Detector in LNGS in September 2015

"중성미자 물리학의 이정표“

밀라노 대학의 공동 저자 지아파올로 밸리니(Gianpaolo Bellini)는 "이를 통해 마침내 별이 태양보다 더 무거운 빛을 내는 방법에 대한 최초의 획기적인 실험적 증거를 얻게 됐다"고 말했다. 동시에, 이러한 측정은 태양과 다른 별들에 있는 무거운 원소의 함량을 보다 면밀히 측정하는 방법을 열어준다. 그들의 몫이 CNO 합병의 정도에 영향을 미치기 때문이다.

“Borexino의 협력팀은 중성미자 물리학의 이정표를 나타내는 결과를 제시했다. 이 엄청난 업적은 우리가 태양과 거대한 별의 형성에 대한 완전한 이해에 더 가까워지게 한다.”고 이 연구에 참여하지 않은 버클리에 있는 캘리포니아 대학의 물리학자 가브리엘 오레비 간(Gabriel Orebi Gann)은 "Nature"에 언급했다.
(Nature, 2020; doi : doi : 10.1038 / s41586-020-2934-0)
출처 : Borexino Collaboration

[더사이언스플러스=문광주 기자]  "No Science, No Future"

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