(읽기 3분 30초)
스트론튬-73은 ‘거울상’ 브롬-73과 크게 다르게 작동했다.
38개의 양성자와 35개의 중성자를 가진 한 원자핵이 35개의 양성자와 38개의 중성자를 가진 원자핵의 일종의 거울상이다.

 

이론과의 모순 :
중성자와 양성자가 상호 교환된 원자핵은 거울상처럼 행동하지만 전체 무게는 변하지 않는다. 그러나 실험에서 보여준 것처럼 적어도 두 개의 *거울핵 mirror nuclei은 그렇지 않다.
스트론튬(St)-73은 브롬(Br)-73과 다른 행동과 핵 구조를 보여준다. 저널 "Nature"에 여기서 왜 대칭이 깨지는지 보고됐다.
*거울핵: 질량수는 같고, 양성자수와 중성자수가 서로 바뀐 한 쌍의 원자핵을 가리킨다. 두 원자핵은 핵력에 의한 에너지는 같지만 질량에 차이가 있다

▲ 2 개의 Up-퀴크와 1개의 Down-쿼크로 구성된 하나의 양성자 . 현재의 이론에 따르면, 중성자와 양성자의 거울상 이미지 수를 갖는 원자핵의 거동은 매우 유사해야하지만 한 쌍의 경우에는 사실이 아닌 것 같다.

원자핵 주위의 궤도를 도는 전자와 마찬가지로 원자핵도 구조를 가지고 있다.
핵에는 양자 역학적 조건 ‘Shell 껍질’이 존재한다. 이곳에는 양성자와 중성자에 의해 연속적으로 채워진다. 이론에 따르면 특정 중성자와 양성자 수를 가진 원자핵이 특히 안정적인지 이유를 설명 될 수 있다. 완전한 각각의 핵껍질에 일치하는 수를 마법의 수라도 한다.

교체된 핵 구성성분을 가진 "미러 이미지"

그러나 원자핵 구조에는 또 다른 특징이 있다.
양성자와 중성자는 공식적으로 동일한 입자 유형의 두 가지 상태로 간주 된다.
그들의 하전은 다르지만 둘 다 가벼운 업(Up)-쿼크 와 다운(Down)-쿼크로만 구성돼 있고 강한 핵력은 두 가지 모두에 동일한 영향을 미친다.

"이 스핀 할당으로 부터 거울 대칭이 이뤄진다"고 매사추세츠 대학의 다니엘 호프(Daniel Hoff)와 그의 동료들이 설명했다. 이것은 38개의 양성자와 35개의 중성자를 가진 한 원자핵이 35개의 양성자와 38개의 중성자를 가진 원자핵의 일종의 거울상이라는 것을 의미한다.
이 ‘거울핵’은 비슷한 행동과 비슷한 양자 특성을 보일 것이다는 것이 일반적인 이론이다.

▲ 고진공하에서 증류된 스트론튬은 유리 앰플의 보호가스에 저장된다. 출처:Alchemist-hp (talk) (www.pse-mendelejew.de)

스트론튬-73 과 브롬-73 의 비교 실험

호프와 그의 팀은 두 동위 원소 스트론튬-73과 브롬-73에서 이것이 사실인지 확인했다.
수명이 매우 짧은 동위 원소 스트론튬은 38개의 양성자와 35개의 중성자를 가지고 있으며, 그 반대는 브롬-73에 해당한다. 실험을 위해, 연구원들은 미시간에 있는 National Superconducting Cyclotron Laboratory의 검출기에서 먼저 방사성 몰리브덴을 붕괴시킴으로써 약 400개의 스트론튬-73 핵을 생성한 다음 그들의 붕괴 가동을 분석했다.

예상과 달리 스트론튬-73은 ‘거울상’ 브롬-73과 크게 다르게 작동했다.
연구자들에 따르면, 이들 원자핵의 구조가 이전에 가정된 것보다 덜 대칭적임을 시사한다.
호프 교수는 “두 원자핵의 구조는 동일해야 하지만 놀랍게도 우리가 발견한 것과는 다르다”고 말했다.

▲ 교육용으로 만들어진 샘플 출처:Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

두 번째 대칭 파괴 중의 하나

이 두 개의 거울핵 사이의 대칭 파괴는 두 번 째일 뿐이며, 파트너 원자핵의 서로 다른 바닥 상태가 감지되었다. 현재까지 알려진 다른 예는 불소-16과 질소-16의 쌍이다.
그러나, 이 경우는 이들 원자핵의 다른 결합 상태에 의해 설명될 수 있다.
호프와 그의 동료들은 “그러나 스트론튬-73과 브롬-73에 대해서는 이러한 메커니즘을 관찰 할 수 없다”고 말했다.

이것은 원자핵의 구조와 핵심 구성 요소의 행동에 관한 이론이 불완전하다는 것을 나타낼 수 있다. 호프의 동료 앤드류 로저스(Andrew Rogers)는 “대칭이 깨지면 보통 우리 모델에 문제가 있고 더 자세히 살펴보아야 한다는 것을 알려 준다”고 말했다.

원자핵에 대한 새로운 통찰력을 위한 기회

호프와 그의 팀은 이 원자핵 대칭이 깨지는 것이 근본적으로 놀라운 것으로 생각하지 않는다. 연구원들은 “동위 원소와 중성자가 각각 다른 전하와 약간 다른 질량을 가졌다고 생각할 때 등방성 스핀이 완벽한 대칭을 제공하지 않기 때문에”라고 말했다. 자기 모멘트도 강도와 극성이 다르다.

호프와 그의 동료들은 “이러한 차이를 고려할 때, 동종핵의 스핀-대칭이 지금까지 매우 강력하다는 것이 증명되었다”고 말했다. 이 대칭이 무너지면 더욱 흥미로워진다. 원자핵 내부에서 작용하는 힘에 대해 더 많이 배울 수 있는 기회를 제공한다.

새로운 시험 시설 필요

동종핵 스핀-거울 대칭이 어느 정도 깨졌는지를 결정하기 위해 추가 실험이 필요하다.
연구원들은 스트론튬-73 핵의 수득율이 매우 낮기 때문에 기존 시스템으로는 이러한 측정이 어렵다고 설명했다. "그러나 미래에 새로운 장치가 가동된다면 우리는 신비한 원자핵에 대한 연구를 더 잘 할 수 있다. 따라서 동종핵의 스핀-거울에서 이러한 이탈에 대해 더 깊이 이해할 수 있다.“

(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2123-1 )
출처 : University of Massachusetts Lowell

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]