MIT 물리학자들이 원자 내부를 볼 수 있는 방법을 발견했습니다.

이 이미지는 중앙에 양성자와 중성자로 이루어진 배 모양의 라듐 원자핵을 묘사하고 있으며, 그 주변을 전자 구름(노란색)과 핵 내부에 있을 가능성이 있는 전자(화살표가 있는 노란색 공)가 둘러싸고 있습니다. 배경에는 불소 원자의 구형 핵이 있으며, 이 핵들이 결합하여 라듐 모노플루오라이드 분자를 형성합니다. 출처: Ronald Fernando Garcia Ruiz, Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu 외

MIT의 물리학자들은 분자 내부의 "전달자"인 원자 자체의 전자를 이용하여 원자핵의 내부를 연구하는 기술을 도입했습니다.

10월 23일 Science 에 발표된 연구에서 연구팀은 불소 원자와 화학적으로 결합되어 라듐 모노플루오라이드를 형성하는 라듐 원자 주위를 도는 전자의 에너지를 정밀하게 측정했습니다. 분자 환경을 입자 충돌기의 미세한 대체물로 사용함으로써, 라듐 원자의 전자를 가두고 일부가 핵을 잠시 통과할 가능성을 높였습니다.

핵 내부를 탐구하는 기존 실험은 전자빔을 가속하여 핵에 충돌시키고 파쇄하는 킬로미터 규모의 가속기를 사용했습니다. 하지만 새로운 분자 중심 접근법은 핵 내부를 직접 탐사할 수 있는 간편하고 탁상용 방법을 제공합니다.

테이블탑 방식으로 핵 "메시지" 감지

연구진은 라듐 모노플루오라이드를 이용하여 라듐 원자 전자가 분자 내에서 이동할 때의 에너지를 추적했습니다. 그들은 에너지의 작은 변화를 관찰했고, 일부 전자가 핵에 잠시 진입하여 내부 물질과 상호작용했음을 결론지었습니다. 이 전자들이 핵에서 빠져나가면서 에너지 변화를 유지함으로써, 핵 내부의 특징을 드러내는 핵 "메시지"를 효과적으로 전달했습니다.

이 방법은 핵의 "자기 분포"를 측정하는 길을 열어줍니다. 핵 내부에서 양성자와 중성자는 모두 작은 자석처럼 움직이며, 그 방향은 입자들의 배열 방식에 따라 달라집니다. 연구팀은 이 기술을 사용하여 라듐에서 이러한 특성을 최초로 측정할 계획이며, 이는 우주론의 핵심 수수께끼 중 하나인 "우주가 반물질보다 훨씬 더 많은 물질을 포함하고 있는 이유"를 밝혀낼 수 있는 단계입니다.

"이번 연구 결과는 핵 수준에서 기본 대칭성 위반을 측정하는 후속 연구의 토대를 마련해 줍니다."라고 MIT 토마스 A. 프랑크 물리학 부교수이자 연구 공동 저자인 로널드 페르난도 가르시아 루이스는 말했습니다. "이는 현대 물리학의 가장 시급한 문제들에 대한 해답을 제공할 수 있습니다."

MIT의 공동 저자로는 셰인 윌킨스, 실비우-마리안 우드레스쿠, 알렉스 브린슨이 있으며, 스위스 CERN의 공선 공명 이온화 분광 실험(CRIS)을 비롯한 여러 기관의 협력자가 참여했습니다. 이 실험은 이곳에서 진행되었습니다.

물질-반물질 불균형과 라듐의 역할

현재의 이해에 따르면, 초기 우주는 거의 같은 양의 물질과 반물질을 포함하고 있었어야 합니다. 그러나 오늘날 우리가 감지할 수 있는 거의 모든 것은 원자핵 내부의 양성자와 중성자로 구성된 물질입니다.

이러한 관찰 결과는 표준 모형의 예상과 상충되며, 반물질의 희소성을 설명하기 위해서는 근본적인 대칭성 위배의 추가적인 원인이 필요함을 시사합니다. 이러한 효과는 라듐을 포함한 특정 원자핵 내에서 나타날 수 있습니다.

구형에 가까운 대부분의 원자핵과 달리, 라듐의 원자핵은 비대칭적인 배 모양을 하고 있습니다. 이론가들은 이러한 기하학적 구조가 대칭성 위반 신호를 증폭시켜 잠재적으로 관측 가능하게 만들 수 있다고 예측합니다.

가르시아 루이스는 "라듐 핵은 전하와 질량이 비대칭적이기 때문에 이러한 대칭성 파괴를 증폭시키는 역할을 할 것으로 예측되는데, 이는 매우 특이한 현상입니다."라고 말했습니다. 그의 연구진은 라듐 핵에서 기본 대칭성 파괴의 징후를 조사하는 방법을 개발하는 데 주력하고 있습니다.

초고감도 분자 실험 구축 라듐 핵 내부를 들여다보며 기본 대칭성을 테스트하는 것은 매우 어려운 일입니다.

"라듐은 자연적으로 방사성을 띠고 수명이 짧으며, 현재로서는 라듐 모노플루오라이드 분자를 극소량만 생성할 수 있습니다."라고 MIT에서 박사후연구원으로 재직했던 연구 주저자 셰인 윌킨스는 말합니다. "따라서 라듐을 측정하려면 매우 민감한 기술이 필요합니다."

연구팀은 분자 내에 라듐 원자를 삽입하면 전자의 행동을 제한하고 확대할 수 있다는 것을 알아냈습니다.

"이 방사성 원자를 분자 안에 넣으면, 그 전자가 경험하는 내부 전기장은 우리가 실험실에서 만들어 적용하는 전기장보다 훨씬 더 큽니다."라고 연구 공동 저자인 실비우-마리안 우드레스쿠 박사(24학번)는 설명합니다. "어떤 면에서 이 분자는 거대한 입자 충돌기처럼 작용하여 라듐 핵을 탐사할 수 있는 더 나은 기회를 제공합니다."

에너지 이동은 전자-핵의 만남을 보여준다

연구진은 라듐 원자와 플루오라이드 원자를 짝지어 라듐 모노플루오라이드를 만들었습니다. 이 분자에서는 라듐 전자가 효과적으로 압축되어 라듐 핵과 상호 작용하여 잠시 라듐 핵으로 들어갈 가능성이 높아집니다.

그런 다음 분자를 포집하고 냉각시킨 후, 진공 챔버로 유도하고, 분자와 상호작용하도록 맞춤 제작된 레이저를 조사했습니다. 이러한 장치를 통해 각 분자 내부의 전자 에너지를 정밀하게 측정할 수 있었습니다.

측정된 에너지는 핵에 들어가지 않는 전자를 기반으로 한 예상과 미묘한 차이를 보였습니다. 에너지 변화는 분자를 여기시키는 데 사용된 레이저 광자 에너지의 약 백만 분의 1에 불과했지만, 이는 전자가 라듐 핵 내부의 양성자 및 중성자와 상호 작용한다는 명확한 증거를 제공했습니다.

"원자핵과 핵 바깥 전자 사이의 상호작용을 측정하는 실험은 많이 있고, 우리는 그 상호작용이 어떤 모습인지 알고 있습니다."라고 윌킨스는 설명합니다. "전자 에너지를 매우 정밀하게 측정해 보니, 핵 바깥에서만 상호작용한다고 가정했을 때 예상했던 값과는 조금 달랐습니다. 그 결과, 그 차이는 핵 내부의 전자 상호작용 때문이라는 것을 알 수 있었습니다."

"이제 핵 내부에서도 샘플을 채취할 수 있다는 증거를 얻었습니다."라고 가르시아 루이스는 말한다. "배터리의 전기장을 측정하는 것과 같습니다. 배터리 외부에서도 전기장을 측정할 수 있지만, 배터리 내부를 측정하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 바로 그것이 우리가 지금 할 수 있는 일입니다."

다음 단계: 힘 매핑 및 대칭 테스트

앞으로 연구팀은 이 새로운 기술을 핵 내부의 힘 분포를 파악하는 데 적용할 계획입니다. 지금까지의 실험은 고온에서 각 분자 내부에 무작위적인 방향으로 존재하는 라듐 핵을 대상으로 했습니다. 가르시아 루이스와 그의 공동 연구진은 이러한 분자들을 냉각시키고 배 모양 핵의 방향을 제어하여 핵의 내용물을 정밀하게 파악하고 기본 대칭성의 위배를 찾아내고자 합니다.

가르시아 루이스는 "라듐을 함유한 분자는 자연의 근본적인 대칭성을 침해하는 요소를 탐색하는 데 매우 민감한 시스템으로 예측됩니다."라고 말하며, "이제 우리는 그러한 탐색을 수행할 방법을 갖게 되었습니다."라고 덧붙였습니다.

이 연구는 일부 미국 에너지부의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251026021734.htm