토륨

2023년 6월 1일

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마인츠 대학교

질량수가 229(229Th)인 토륨 동위원소는 기초 물리학뿐만 아니라 핵시계와 같은 미래 응용 분야에서도 여러 측면에서 매우 흥미롭습니다.

요하네스 구텐베르크 대학교 마인츠(Johannes Gutenberg University Mainz)의 Dmitry Budker 박사 그룹이 참여한 국제 독일-중국-미국 연구팀은 이제 229Th를 자세히 연구하기 위한 완전히 새로운 접근 방식을 제안했습니다. 연구자들은 중성 원자에 존재하는 90개의 전자 중 껍질에 3개의 전자만 남아 있는 토륨 이온을 사용하기를 원합니다.

이러한 시스템은 많은 장점을 제공한다고 연구진은 Physical Review Research 저널 최신호에 보고했습니다. 특히 첫 번째 핵 전이는 가시 파장 범위의 기존 레이저를 사용하여 여기될 수 있다고 합니다. 그러나 이를 위해서는 이온이 상대론적 저장 링에서 순환해야 합니다.

토륨-229의 특별한 점은 준안정 이성질체 상태인 토륨-229m의 원자핵이 현재 알려진 약 3,800개의 원자핵 중 가장 낮은 여기 에너지 준위를 가지고 있다는 것입니다. 따라서 이는 저장 링을 사용하지 않고도 레이저로 잠재적으로 조사할 수 있는 유일한 핵 전이입니다. 이러한 전환과 두 핵 보유국에 대한 매우 정확한 측정은 유망하고 다양한 관점을 열어줍니다.

이를 위해 Dmitry Budker가 이끄는 연구원들은 이제 "연구 대상"과 실험 설정 측면에서 새로운 접근 방식을 제안하고 있습니다. 그들은 고도로 하전된 이온, 즉 줄여서 HCI, 특히 다음과 같은 이온을 사용하고 있습니다. 전자 껍질에는 3개의 전자만 남습니다. 이렇게 고도로 전하를 띤 토륨 이온에서 전자와 핵 사이의 상호 작용은 핵 이성질체 상태를 효율적으로 "채우는" 데 사용할 수 있는 몇 가지 새로운 전이를 엽니다.

아이디어는 입자 가속기에서 이러한 토륨 이온을 거의 빛의 속도로 가속하는 것입니다. 이러한 방식으로 그들은 기존 레이저를 사용하여 최대한 효과적으로 자극하여 매우 정확하게 연구할 수 있도록 지렛대 효과를 개발합니다. 가장 중요한 것은 여러 여기 상태를 다루고 실제로 관심 있는 이성질체 상태를 "채우기" 위해 사용할 수 있다는 것입니다.

토륨-229m에 대한 대부분의 이전 연구에서는 낮은 전하 상태의 비상대론적 원자 또는 이온을 다루었는데, 이는 심자외선 범위에서 극도로 짧은 파장의 레이저가 필요하기 때문에 여기에 필요한 광원에 대한 수요가 높습니다. "대신 가시광선(기존의) 파장 범위에서 레이저를 사용할 수 있다는 사실은 분광학 연구를 더 쉽게 만듭니다."라고 Dmitry Budker는 설명합니다.

"이것이 전혀 가능하다는 것은 토륨 이온이 거의 빛의 속도로 가속된다는 사실과 관련이 있습니다. 상대론적 효과로 인해 그들은 정면에서 자신을 향한 레이저 빔을 훨씬 더 짧은 파장의 빔으로 인식합니다. 그들에게는 기존의 레이저 빛이 UV 레이저처럼 보입니다."라고 현재 박사 과정인 제1저자 Junlan Jin이 덧붙였습니다. 이전에 원격 인턴십의 일환으로 Dmitry Budker 그룹과 매우 긴밀하고 성공적으로 일했던 Princeton University의 학생입니다.

현재 간행물에서 저자는 자신의 방법을 실현하는 데 필요한 다양한 단계를 설명합니다. 그들은 독일 다름슈타트의 GSI에 건설 중인 FAIR 시설에 가능한 가속기 링이 있는 고하전 토륨 이온의 가속 빔 생성으로 시작합니다. 또는 CERN에 계획된 감마 공장 - 현재 토륨 출판물의 저자들도 그러한 "초광원"의 실현을 위한 개념적 제안에 참여하고 있습니다.