토륨 원자핵은 보다 정확한 핵시계의 열쇠가 될 수 있다

Sep 15, 2023

제목: 토륨 원자핵은 보다 정확한 핵시계의 열쇠가 될 수 있습니다

네이처(Nature) 5월 25일자에 발표된 보고서에 따르면, 연구자들은 특정 토륨 동위원소가 최초의 핵시계의 기초가 될 가능성이 있다는 사실을 발견했습니다. 토륨 핵은 기존 원자시계의 정밀도를 뛰어넘는 새로운 시간 측정 방법을 제공할 수 있다. 벨기에 루벤 KU의 산드로 크레이머(Sandro Kraemer)와 그의 팀이 수행한 새로운 연구는 토륨 핵 붕괴 중에 방출되는 에너지를 정확하게 측정하여 핵 시계 제작의 가능성을 열었습니다.

현재의 원자시계는 원자를 둘러싸고 있는 전자에 의해 시작되는 빛의 진동을 기반으로 합니다. 원자시계는 이미 매우 정확하며 GPS 위성과 물리학의 기본 법칙을 테스트하는 실험에 사용됩니다. 그러나 핵시계는 원자핵에 의해 발생하는 에너지 점프를 기반으로 하며, 일부 과학자들은 이것이 원자시계보다 훨씬 더 정확할 수 있다고 믿습니다.

대부분의 원자핵은 과학자들이 시계를 만드는 데 필요한 레이저로 점프를 시작하기에는 에너지 준위가 서로 너무 멀리 떨어져 있습니다. 그러나 원소의 동위원소인 토륨-229는 에너지 준위가 비정상적으로 서로 가깝습니다. 레벨 사이의 에너지 격차가 정확하게 알려지지 않았기 때문에 연구원들은 레이저로 에너지 점프를 시작할 수 없었습니다.

Kraemer와 그의 동료들은 토륨-229 핵이 붕괴하여 더 높은 에너지 상태에서 에너지가 뛰어내릴 때 방출되는 에너지를 측정했습니다. 과학자들은 토륨-229를 이성체인 고에너지 상태로 만들어야 했습니다. 연구팀은 CERN의 ISOLDE 시설에서 방사성 빔을 사용하여 불화칼슘과 불화마그네슘 결정에 악티늄-229를 삽입했습니다. 악티늄-229는 붕괴되어 토륨-229 이성질체를 생성합니다. 토륨-229를 결정에 삽입하면 측정하기 어려운 붕괴가 억제되어 단일 광자 붕괴가 더욱 분명해졌습니다.

본 대학의 양자물리학자 사이먼 스텔머(Simon Stellmer)에 따르면, 이 새로운 연구는 최초의 핵시계를 만드는 데 획기적인 이정표를 제공합니다. 물리학자들은 이제 레이저를 활용하여 그 방향으로 다음 단계를 밟기 위해 노력하고 있습니다.

핵시계는 자연의 기본 상수의 미묘한 변화를 드러내면서 물리학 현상에 대한 새로운 관점을 제공할 수 있습니다. 게다가 핵시계는 원자시계보다 더 안정적이고 더 빠르게 측정할 수 있습니다. Kraemer에 따르면 원자가 진공 챔버 내부에 매달려 있어야 하는 원자시계와 달리 핵시계는 고체 물질 내부의 핵으로 만들어질 수 있습니다.