토륨 원자 심장의 전이에 대한 초정밀 측정은 물리학자들에게 우주를 묶는 힘을 조사할 수 있는 도구를 제공합니다.
토륨-229의 원자핵에서 레이저로 제어할 수 있는 전이의 발견은 "핵시계"의 시작을 알렸습니다.
Quanta Magazine의 Nash Weerasekera
소개
2024년 5월 어느 날 밤 11시 30분, 대학원생 Chuankun Zhang은 물리학자들이 50년 동안 추구해 온 신호를 보았습니다. 콜로라도주 볼더에 있는 JILA 연구소의 모니터에서 잡음이 최고조에 달하자 Zhang은 연구실 동료 3명과의 그룹 채팅에서 스크린샷을 떨어뜨렸습니다. 그들은 한 명씩 침대에서 일어나 안으로 들어갔습니다. 그들이 보고 있는 것이 진짜인지 확인하기 위해 여러 차례 온전한 점검을 한 후, 두 상태 사이를 전환하는 토륨-229 핵의 신호, 즉 "핵 시계" 전환으로 알려진 신호 - 젊은 연구자들은 그 순간을 기념하기 위해 셀카를 찍었습니다. 타임 스탬프:오전 3시 42분
그날 아침, 세계에서 가장 정확한 원자시계를 만든 그룹 리더인 준예(Jun Ye)와의 주간 회의에서 그들은 침착하게 행동하기로 결정했습니다. Zhang이 오랫동안 추구했던 최고점을 보여주는 슬라이드를 공유할 때까지 Ye는 "그들은 모두 포커페이스였습니다"라고 말했습니다. 오전 9시 30분, 일행이 샴페인 잔을 부딪히는 동안 예씨의 눈에는 눈물이 흘렀다.
2024년 9월 4일 Nature 저널에 보고된 그룹의 측정 결과 는 독일과 캘리포니아의 결과에 이어 지난 4개월 동안 발표된 토륨-229 전이에 대한 세 번째 관측입니다. 그러나 새로운 측정은 다른 것보다 수백만 배 더 정확하며 핵시계 전환을 유도하는 데 필요한 정확한 레이저 주파수에 대한 마라톤 검색의 끝을 표시합니다. 이번 연구에는 참여하지 않았지만 영국 더럼 대학의 물리학자인 한나 윌리엄스(Hannah Williams)는 “이 논문은 믿을 수 없을 만큼 기술적 성취입니다.”라고 말했습니다.
더 중요한 것은 이것이 새로운 노력을 시작한다는 것입니다. 연구자들은 이제 많은 기본 물리학 이론에서 예측된 것처럼 물리학 법칙이 시간에 따라 달라지는지 관찰하기 위해 전환을 사용하려고 노력할 것입니다. 토륨-229 핵에 있는 자연의 4가지 힘 중 2가지가 우연히, 거의 정확하게 취소된 덕분에 핵 시계 전환은 이러한 힘의 변화에 매우 민감합니다. 따라서 서로 다른 시간에 토륨-229 전이를 측정하면 물리학의 기본 상수에 변동이 있음을 알 수 있습니다.
캐나다 페리미터 이론물리연구소(Perimeter Institute for Theoretical Physics)의 이론물리학자 아시미나 아르바니타키(Asimina Arvanitaki)는 “나는 이것을 아름다운 여정의 시작이라고 본다”고 말했다. "이제 우리는 이 자연의 기이함을 측정했습니다. 하지만 그 기이함을 활용하려면 많은 작업이 필요합니다."
자연의 괴물
과학자들은 1976년 냉전 시대 핵무기 연구의 부산물인 토륨-229 동위원소를 처음 연구하면서 이 동위원소에 뭔가 특별한 것이 있다는 것을 깨달았습니다.
원자는 일반적으로 모든 전자가 핵 주위를 안정적으로 공전하는 바닥 상태에 있습니다. 그러나 전자는 또한 광자의 형태로 외부 세계로부터 에너지를 흡수하고 여기되어 잠시 동안 더 빠르게 원자 주위를 맴돌다가 광자를 다시 방출하고 바닥 상태로 돌아갈 수 있습니다. 광자는 전자를 여기시키기 위해 적절한 양, 즉 "양자" 에너지를 가지고 있어야 합니다.
현대의 시간 개념은 실제로 이 과정에 의해 정의됩니다. 과학자들은 레이저를 사용하여 세슘 원자를 광자로 목욕시킵니다. 그런 다음 광자가 각각 전자를 여기시키는 데 적합한 에너지를 가질 때까지 레이저의 파장을 변경합니다. 이 초정밀 파장은 9,192,631,770개의 파장이 우주의 특정 지점을 통과하는 데 걸리는 시간인 1초 동안의 국제 표준을 정의합니다.
대학원생 Chuankun Zhang(아래)이 이끄는 Jun Ye(위) 연구실 팀은 Nature 저널에 핵 시계 전환에 대한 초정밀 측정 결과를 발표했습니다.
대학원생 Chuankun Zhang(오른쪽)이 이끄는 Jun Ye(왼쪽) 연구실 팀은 핵 시계 전환에 대한 초정밀 측정 결과를 Nature 저널에 게재했습니다.
왼쪽부터:제프리 휠러; 케나 휴즈-캐슬베리/JILA
모든 원자의 핵심에 있는 중성자와 양성자의 촘촘한 공인 핵도 바닥 상태와 여기 상태를 가지고 있습니다. 이 상태에서는 핵을 구성하는 양성자 또는 중성자 중 하나가 광자를 흡수하고 잠시 더 에너지적으로 소용돌이칩니다. 그러나 이러한 입자는 전자보다 훨씬 더 단단하게 포장되어 있으므로 이를 자극하려면 훨씬 더 많은 에너지를 가진 광자(감마선)가 필요합니다. 대량으로 생산하거나 정확한 에너지로 생산하기가 훨씬 어렵습니다.
그러나 토륨-229 핵은 다릅니다.
1950년대부터 1970년대까지 미국은 약 2톤의 우라늄-233을 생산했는데, 이는 원자무기 연구에서 우라늄-235와 플루토늄-239의 가능한 대안으로 연구되고 있던 무기급 핵분열성 물질이다. 이 프로그램은 결국 폐기되어 방사성 액체 탱크 몇 개만 남았습니다. 그러나 아이다호 국립 연구소의 핵물리학자 래리 크로거(Larry Kroger)와 찰스 라이히(Charles Reich)는 1976년에 그 액체에서 방출되는 방사선을 연구했을 때 우라늄-233의 "딸" 핵(방사성 붕괴의 산물)인 토륨-229가 예상보다 훨씬 적은 에너지를 사용하는 신비한 여기 핵 상태를 가지고 있다는 간접적인 증거를 발견했습니다.
모든 핵은 자연의 두 힘 사이의 긴장된 줄다리기 속에 살고 있습니다. 양전하를 띤 양성자 사이의 전자기력은 이를 찢어버리려고 하는 반면, 강한 힘은 다발을 하나로 묶어줍니다. 중성자나 양성자를 자극하면 핵이 두 힘 사이의 새롭고 더욱 에너지적인 평형 상태에 놓이게 됩니다.
아이다호 연구자들은 토륨-229의 가장 바깥쪽 중성자의 고유 각운동량, 즉 "스핀"을 반전시키는 데 일반적인 핵 여기보다 10,000배 적은 에너지가 소요되는 것처럼 보인다는 사실을 관찰했습니다. 중성자의 변경된 스핀은 전자기력과 강한 힘을 모두 약간 변경하지만 이러한 변화는 거의 정확하게 서로를 상쇄합니다. 결과적으로 여기된 핵 상태는 바닥 상태와 거의 다르지 않습니다. 많은 핵이 유사한 스핀 전이를 가지고 있지만 토륨-229에서만 이러한 취소가 거의 완벽합니다.
시드니 뉴사우스웨일스대학교의 이론물리학자인 빅터 플람바움(Victor Flambaum)은 “그것은 우연이다”고 말했다. "선험적으로 토륨에 대한 특별한 이유는 없습니다. 단지 실험적 사실일 뿐입니다." 하지만 이러한 힘과 에너지의 우연은 큰 결과를 가져옵니다.
상수 시계
과학자들이 토륨-229가 얼마나 특별한지, 그리고 이를 어떻게 처리해야 하는지 깨닫는 데는 수십 년이 걸렸습니다.
Kroger와 Reich의 1976년 측정은 우라늄-233 폐기물이 생성하는 시끄러운 방사선 욕조에서 수행되었기 때문에 부정확했습니다. 그들은 핵이 바닥 상태로 붕괴될 때 방출되는 실제 저에너지 광자를 볼 수 없었습니다. 그들은 더 들뜬 핵에서 방출되는 더 강력한 감마선의 패턴으로부터 간접적으로 에너지를 추론했을 뿐입니다.
1990년에 Reich와 동료는 이 측정을 더욱 주의 깊게 재검토하여 들뜬 상태의 에너지가 처음에 생각했던 것보다 훨씬 더 작다는 사실을 발견했습니다. 10배 이상 더 작습니다. 핵 전이에는 종종 수백만 전자 볼트가 필요한 반면, 토륨-229는 10 미만의 전자 볼트가 필요합니다. 이것은 진정한 게임 체인저였습니다. 다른 동위원소는 기존 레이저의 에너지 범위에서 핵 전이를 가지지 않으며, 이는 전이를 안정적이고 정확하게 트리거할 수 있는 에너지를 전달할 수 있습니다. 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 물리학자인 에릭 허드슨(Eric Hudson)은 “모든 핵의 전체 차트에서 그것은 유일한 것입니다.”라고 말했습니다.
캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 에릭 허드슨 팀은 여름 동안 핵시계 변화를 측정한 결과를 보고했습니다.
데이비드 에스퀴벨/UCLA
누군가가 방사성 환경에서 이 핵을 분리하고 자외선 레이저의 에너지를 그 여기 상태와 일치시킬 수 있다면 전자와 마찬가지로 마음대로 이를 촉발할 수 있습니다.
정부의 우라늄-233 "폐기물"의 대부분은 여전히 아이다호와 오크리지 연구실의 보호실에 보관되어 있습니다. Oak Ridge에서 31년 동안 일한 방사선화학자 Saed Mirzadeh는 "아무도 들어와서 훔치지 않도록 그냥 거기 앉아서 물건을 지켜보는 데 드는 예산이 연간 2천만 달러 정도였습니다"라고 말했습니다. “그들은 그냥 거기 앉아서 목에 총을 걸고 담배를 피우곤 했어요.”
1994년 아이다호 팀의 작업을 알고 있던 미르자데는 실험실에서 위험한 액체가 담긴 통에 접근할 수 있도록 해달라고 설득했습니다. 그는 이미 붕괴하여 토륨-229로 변한 우라늄 원자와 그렇지 않은 우라늄 원자를 분리하는 방법을 개발했습니다. “실제로 처음 해냈을 때 연구실 밖에는 기관총을 들고 있는 경비원들이 있었습니다.”라고 그는 말했습니다. 그는 세계에 존재하는 토륨-229 재고의 대부분이 그의 노력에서 나온 것이라고 지적했습니다.
이러한 독특한 핵을 활용하는 방법에 대한 아이디어가 떠오르기 시작했습니다. 2003년 독일 계측 기관인 연방 물리 기술 연구소(PTB)의 Ekkehard Peik과 Christian Tamm은 이를 사용하여 핵 시계를 만들 것을 제안했습니다. 핵은 전자 구름에 의해 외부 세계로부터 보호되기 때문에 토륨-229 원자를 기반으로 한 시계는 당시 최고의 원자 시계를 괴롭혔던 배경 간섭의 상당 부분에 영향을 받지 않을 것임을 깨달았습니다.
그런 다음 Flambaum은 이렇게 민감하고 고립된 시계가 자연 자체의 불변성을 테스트하는 데 사용될 수 있음을 보여주었습니다.
독일 연방물리기술연구소의 에케하르트 페이크(Ekkehard Peik)와 그의 동료들은 올해 초 최초로 레이저로 핵시계 천이를 자극했습니다.
물리 기술 연방 연방
물리학자들은 우주를 묶는 힘을 특성화하기 위해 방정식을 개발했으며, 이 방정식에는 기본 상수라고 불리는 약 26개의 숫자가 적용됩니다. 빛의 속도나 중력 상수와 같은 이러한 숫자는 우주에서 모든 것이 어떻게 작동하는지 정의합니다. 그러나 많은 물리학자들은 그 숫자가 실제로 일정하지 않을 수도 있다고 생각합니다.
힘이 어디서 오는지에 대한 더 깊고 완전한 이해를 구축하려는 끈 이론과 같은 이론적 아이디어는 종종 이러한 숫자, 심지어 빛의 속도도 시간이 지남에 따라 아주 조금씩 변한다고 예측합니다. 즉, 상수는 그 자체로 역동적인 기본 현상이나 프로세스의 결과일 수 있습니다. 이는 또한 은하계 안팎을 떠다니는 보이지 않는 물질인 암흑 물질에 대한 가장 인기 있는 이론 중 하나에 의해 예측됩니다. 암흑 물질이 액시온(axion)이라고 불리는 파동형 입자로 구성되어 있다면, 액시온의 밀도가 장소에 따라 달라지기 때문에 힘의 일부가 위아래로 흔들리게 됩니다.
자연 법칙에 대한 이러한 작은 조정은 모든 원자의 핵 내부에서 발생하는 섬세한 균형 조정 활동을 약간 방해하여 상태 에너지를 변경할 수 있습니다. 핵국가의 에너지는 모든 양성자와 중성자에 작용하는 거대한 전자기력과 강력한 힘을 더하고 빼는 데서 나옵니다. 이러한 힘 중 하나의 강도가 상대적으로 작더라도 에너지에는 상당한 변화가 발생합니다. 이러한 변화는 토륨-229 전이의 매우 작은 에너지에 적용될 때 특히 눈에 띄게 나타납니다.
2000년대와 2010년대에 여러 팀이 최초의 핵시계를 만들기 위한 경쟁에 뛰어들었습니다. 승리하기 위해 그들은 레이저가 문제의 핵 상태를 자극하는 데 필요한 정확한 에너지를 알아내야 했습니다. 현재는 핵 시계 전환이라고 합니다.
사진 마무리
핵시계 전환에 필요한 에너지에 대한 기존 추정치는 연구자들이 조사하려는 레이저의 파장보다 천 배나 덜 정확했습니다. 따라서 배제해야 할 수천 개의 레이저 파장이 있었습니다. 레이저를 이러한 파장 중 하나로 조정한 후 연구자들은 몇 개의 토륨-229 원자를 포획하고 레이저로 공격한 다음 상태가 여기되었음을 나타내는 광자를 기다려야 했습니다. 이 제거 과정은 너무 오래 걸릴 것입니다.
허드슨의 주도에 따라 그룹은 내부에 토륨이 내장된 고체 결정 화합물을 만들기 시작했습니다. 이는 Peik과 Tamm의 원래 제안에 언급된 접근 방식입니다. 결정은 단지 몇 개가 아닌 수조 개의 원자를 보유할 수 있으므로 레이저는 빠른 속도로 파장을 배제할 수 있습니다.
작년 CERN의 획기적인 발전으로 경쟁이 더욱 가속화되었습니다. 이전 아이다호 연구에서와 마찬가지로 CERN 팀은 방사성 붕괴를 통해 여기된 토륨-229를 생성한 다음 나오는 광자를 관찰했습니다. 그러나 그들은 훨씬 더 조용한 환경에서 그렇게 할 수 있는 방법을 찾았고, 이를 통해 핵시계 전이에서 나오는 희미한 자외선을 직접 측정하고 전이 에너지를 더 엄격하게 추정할 수 있었습니다.
CERN 팀의 업데이트된 추정치는 파장 사냥꾼의 검색 범위를 전체 숲에서 작은 나무 숲으로 좁혔고, 그들은 즉시 수색을 시작했습니다. 올해 4월, 유럽 팀이 레이저로 국가를 탐사했다고 최초로 보고했습니다. Peik은 자신의 레이저 전문 지식에 기여했으며 비엔나 대학교의 물리학자 Thorsten Schumm이 건설한 결정 성장 발전소를 활용하여 공동 작업을 진행했습니다.
Hudson의 그룹이 바로 뒤를 이었습니다. 그들의 발견을 보고하는 논문이 Physical Review Letters에 게재되었습니다. 7월.
JILA의 Ye 그룹도 Schumm의 결정 중 하나를 획득했으며 토륨-229 전이를 자극하기 위해 경주하고 있었습니다. 수년 동안 이 그룹은 토륨-229를 핵시계로 바꾸는 유일한 목적으로 시계 제작 통찰력을 사용하여 특수 자외선 레이저를 설계해 왔습니다. 레이저를 사용하면 Ye와 그의 그룹은 한 번에 많은 파장을 테스트하여 그가 추구하는 모든 전환에 근접할 수 있습니다. 그의 팀의 새로운 논문은 이 세 가지 평행 발견을 앞으로 수년간 국가 에너지를 가장 정확하게 측정할 수 있는 것으로 마무리합니다.
Williams는 "이러한 결과는 모두 매우 짧은 시간 내에 나타났습니다. 따라서 그들이 다음에 무엇을 할 것인지 매우 흥미롭습니다."라고 말했습니다.
결과는 자연의 힘에 대한 토륨 테스트의 시계를 시작합니다. 허드슨은 기본 상수를 연구하는 데 새로운 도구를 사용하게 된 것을 기쁘게 생각하며 “이제 재미가 시작됩니다.”라고 말했습니다. “우리는 실제로 이런 일을 할 수 있습니다.”
토륨 핵 상태의 에너지는 다른 원자 상태의 에너지보다 기본 상수의 변화에 훨씬 더 민감합니다. 그러나 과학자들은 기존 원자시계에서 이미 배제된 것보다 더 미묘한 변화를 알아차리기 위해 측정의 정확성을 더욱 향상시켜야 합니다. 현재 Ye는 1조분의 1의 정밀도로 핵시계 변화를 측정할 수 있지만 가능한 변화는 10조분의 1만큼 작습니다. “앞으로 수년이 걸릴 것입니다.”라고 그는 말했습니다.
그러나 결국 일부 오래된 냉전 시대의 부산물은 우리가 보는 우주의 기초가 되는 더 깊고 아직 발견되지 않은 물리학에 대한 최초의 증거를 제공할 수 있습니다. "우리는 그것들을 상수라고 부릅니다. 그런데 왜죠?" 허드슨이 물었다. “확대해서 보면 그렇게 단순한 것은 없습니다.”
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