원자 핵 회전 이상 현상 오랜 논란 해결

원자핵(atomic nuclei)은 축구 모양(“장형”)부터 팬케이크 모양(“편원형”)까지 다양한 모양으로 나타난다. 장형과 편원형은 관성 모멘트가 다른데 이것은 외부 힘에 의해 회전 속도가 변경되는 것에 대한 물체의 저항에 기인한다. 서로 다른 관성 모멘트와 서로 다른 모양을 갖는 원자핵은 서로 다른 핵을 회전시키는 데 서로 다른 양의 에너지가 필요함을 의미한다.

이전 연구에서 측정 결과 네온-20이나 크롬-48과 같은 핵에서 빠른 회전의 경우 회전 에너지가 예기치 않게 변하는 것으로 나타났다. 과학자들은 이를 빠른 회전에 대한 관성 모멘트의 비정상적인 증가 때문이라고 생각했다. 이는 아마도 핵 물질이 튀어나왔기 때문일 것이다. 이전 모델에서는 빠르게 회전하는 핵이 궁극적으로 구형이 된다고 제안했지만 최신 모델에서는 변형된 모양이 발견됐다. 이제 원자핵에 대한 대규모 시뮬레이션을 통해 빠르게 회전하는 핵의 이해하기 어려운 물리학에 대한 놀랍고 새로운 설명이 밝혀졌다.

거의 50년 만에 처음으로 과학자들은 관성 모멘트를 정확하게 계산하고 최첨단 핵 시뮬레이션을 통해 관성 모멘트의 변칙적 증가 가설을 연구했다. 네온-20에 대한 시뮬레이션은 에너지 측정을 복제한다. 그러나 놀랍게도 시뮬레이션에서는 비정상적인 증가가 발견되지 않았다. 대신, 그들은 핵 내부의 변화를 드러낸다.

크롬-48에 대한 유사한 현미경 시뮬레이션을 통해 이러한 놀라운 결과가 확인됐다. 더욱이 이번 결과는 빠르게 회전하기 시작하는 장형 핵이 구형이 되는지 편원형이 되는지에 대한 오랜 질문을 해결한다. Physical Review C에 발표된 이 연구는 몇 가지 경쟁적인 모양이 나타나는 것을 보여준다. 일부는 장형이고 일부는 편원형이며 평균적으로 구형으로 나타난다.

루이지애나 주립대학교(LSU) 학부생연구 프로그램 학생은 샌디에고 주립대학교, 체코 과학 아카데미의 과학자들과 함께 새로 개발된 제1원리 대칭 적응 노코어 쉘 모델 이론을 사용하여 네온-20의 형상 내용을 정확하게 연구했다.

이 프레임워크는 원자핵의 변형 및 클러스터 하위 구조를 자연스럽게 설명했다. 프레임워크는 핵 내에서 거의 완벽한 대칭을 이루는 빌딩 블록을 통해 다른 방법으로는 불가능할 솔루션을 달성한다. 이러한 최첨단 핵 시뮬레이션은 모양의 복잡한 양자 중첩을 드러낸다. 이는 회전이 증가하면 핵 관성 모멘트가 증가한다는 고전적인 회전 물체의 비유에 기초한 50년 된 주장을 반박했다.

경핵의 경우, 네온-20(양성자 10개와 중성자 10개 포함)은 관성 모멘트의 증가 가정에 대한 표준적인 예시였다. 새로운 “대칭 적응” 계산에서 관성 모멘트와 핵 모양 및 고유 구조(그림 이미지 c 참조)는 거의 변하지 않다. 대신, 입자 스핀을 정렬하고 모양을 결합하는 인근 핵 상태와 혼합하면 에너지가 변경된다.

크롬-48에 대한 유사한 계산은 일부 모델과 일치하여 거의 구형으로 보이는 빠르게 회전하는 핵을 확인했다. 이 모델은 이 구형 구조가 장형 모양과 편원형 모양이 거의 동일하게 혼합된 평균임을 확인했다(그림 이미지 b 참조). 이는 빠르게 회전하는 핵의 물리학에 대한 새로운 통찰력을 나타낸다.