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동위 원소 바륨–137에서 이중 감마 붕괴 관찰 확인.
한 번에 두 개의 감마선-광자를 방출.

새로운 형태의 방사선 방출 확인 “이중 감마 붕괴”
매우 드문 붕괴, 한 번에 두 개의 감마선-광자를 방출

원자핵의 쌍둥이 광자 :
핵물리학자들이 매우 드문 형태의 방사성 붕괴를 확인했다.
이 경우, 불안정한 원자핵은 보통의 경우와 같이 더 높은 에너지로 하나의 광자를 방출하는 대신에 한 번에 두 개의 광자 고에너지 감마 방사선을 방출한다. 연구원들은 동위 원소 바륨 –137에서 이 이중 감마 붕괴를 관찰하고 확인했다.

▲ 일반적으로 방사성 감마 붕괴 중에는 하나의 광자가 방출되지만 드문 이중 붕괴에서는 두 개다. © Inductiveload / CC-by-sa 4.0

방사성 동위 원소가 붕괴되면 다양한 유형의 방사선이 발생할 수 있다.
알파 및 베타 붕괴에 전형적인 헬륨 핵 및 전자 이외에 감마 방사선도 형성될 수 있다.
붕괴 중에 들뜬 원자핵이 형성될 때 방출된다. 잠시 후, 그것은 에너지가 풍부한 감마선 광자 형태로 에너지를 방출하고 기본 상태로 돌아간다.

하나 대신 두 개의 광자

5년 전에 원자핵이 동시에 방출된 2개의 감마 광자 형태로 과도한 에너지를 방출하는 매우 드문 붕괴가 있다는 것을 핵물리학자들이 발견한 바 있다.

이러한 쌍둥이 광자의 방출은 양자 역학적 선별 규칙에 의해 간단한 감마 붕괴가 금지되는 경우에만 오랫동안 고려되어왔다.
그러나 2015년에 연구원들은 단일 광자가 이론적으로 충분하다면 이런 이중 감마 붕괴(γγ/γ)도 가능하다는 것을 처음으로 관찰했다.

부쿠레슈티 인근의 훌루베이 국립 연구소의 Pär-Anders Söderström이 이끄는 국제 연구팀이 이 경쟁적인 이중 감마 붕괴를 실험적으로 확인하고 조사했다. 실험을 위해, 핵물리학자들은 11개의 별 모양의 섬광기로 구성된 특수 검출기에서 방사성 동위 원소 바륨 -137의 붕괴를 관찰했다. 이 광자 검출기는 감마 광자 방출의 정확한 타이밍뿐만 아니라 그 방향 및 수반되는 전자기장을 기록할 수 있게 했다.

백만 중에서 2개만 붕괴

결과 : 측정 결과 바륨 동위 원소가 실제로는 한 번에 두 개가 아닌 한 번에 두 개의 감마 광자를 방출하는 것으로 나타났다. 따라서, 원자핵이 이론적으로 하나의 감마 양자 만 방출하면 이중 감마 붕괴가 발생할 수있다. 그러나 죈더스트룀(Söderström)과 그의 동료들이 보고한 바에 따르면 260 만에서 백만까지의 확률로 발생한다.

동시에, 새로운 측정 결과, 들뜬 원자핵은 이 드문 유형의 붕괴에서 예상되는 것과 다르게 분극되어 있음이 밝혀졌다. 핵물리학자들은 이전에 전기장과 자기장 성분이 모두 4극, 즉 4극에 해당한다고 가정했다. 그러나 Söderström과 그의 팀이 관찰한 바와 같이, 바륨 동위 원소의 γγ/γ 붕괴는 전기 8극과 자기 쌍극자 방사선의 조합이다.

▲ 불꽃놀이에서 바륨은 녹색을 나타내는 데 사용된다.

원자핵 구조에 대한 새로운 통찰

이 관찰은 간단한 핵심 구조 모델과 모순된다.

그러나, 추가적인 핵물리 모델 계산은 이중 감마 붕괴의 보다 복잡한 구성을 확인시켜 주었다.
그들은 γγ/γ-붕괴 과정이 원자핵에서 양성자와 중성자의 상호 작용에 매우 민감하다는 것을 증명한다. 그러나, 이러한 드문 붕괴는 또한 원자핵의 구조를 조사할 수있는 새로운 가능성을 열어 주었으며, 이는 연구원들이 설명하는 것처럼 여전히 부분적으로만 해독된다.

(Nature Communications, 2020; doi : 10.1038 / s41467-020-16787-4)
Technische Universität Darmstadt 

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