Microscopic study of quasifission dynamics in hot fusion reactions for synthesizing superheavy nuclei with Z = 112-120
본 연구는 초중원자핵(Z=112-120) 합성을 위한 18가지 핫 퓨전 반응의 준분열(quasifission) 역학을 분석하기 위해 미시적 시간 의존 하트리-포크 이론을 채택하였으며, 껍질 효과(구체적으로 구형의 208Pb 및 팔형 변형된 Z=88/N=136)가 파편 형성을 지배하는 동시에 더 무거운 입사체가 준분열을 가속화한다는 점을 밝혀냄으로써, 원소 Z=119 및 Z=120을 생성하려는 시도에서 관찰되는 낮은 융합 확률을 설명한다.
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물질의 진정한 한계를 이해하려는 탐구 과정에서, 물리학자들은 끊임없이 가능한 가장 무거운 원자를 만들기 위해 노력하고 있습니다. 이 초중원소들은 주기율표의 맨 끝에 위치하며, 지구상에는 자연적으로 존재하지 않고 반드시 실험실에서 인공적으로 만들어져야 합니다. 이들을 만들기 위해 과학자들은 두 개의 더 작은 원자핵을 매우 빠른 속도로 충돌시켜, 이들이 하나의 더 무거운 핵으로 융합하기를 기대합니다. 그러나 이 과정은 매우 까다롭습니다. 두 핵이 충돌할 때, 이들은 종종 서로 달라붙지 못합니다. 대신, 핵들은 아주 짧은 순간 동안 접촉했다가 곧바로 다시 갈라져 버립니다. 핵들이 상호작용하지만 새로운 원소를 형성하기 전에 분리되는 이 특정한 실패 모드를 '준붕괴(quasifission)'라고 합니다. 이는 현재 알려진 원소인 양성자 118번 원소와 같은 원소보다 더 무거운 원소를 만드는 것을 가로막는 주요 장애물입니다. 왜, 그리고 어떻게 이러한 분리가 일어나는지를 정확히 이해하는 것은 다음 단계인 원소 119번과 120번을 만드는 여정에 있어 매우 중요합니다.
중국의 한 연구팀은 충돌 내부에서 실제로 어떤 일이 일어나고 있는지 살펴보기 위해 이 과정을 미시적이고 깊게 들여다보았습니다. 양자 역학의 법칙에 기반한 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여, 그들은 초중원소 핵을 만들기 위해 설계된 18가지 유형의 충돌을 모델링했습니다. 그들은 작고 빠르게 움직이는 투사체 핵이 크고 정지해 있는 표적 핵에 부딪히는 반응에 집중했습니다. 연구진은 특히 핵의 내부 구조가 결과에 어떤 영향을 미치는지에 주목했습니다. 그들은 칼슘, 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크로뮴을 포함하여 다양한 종류의 투사체를 사용하는 충돌을 조사했으며, 이들은 모두 112에서 120 사이의 양성자를 가진 원소를 만드는 것을 목표로 했습니다.
연구 결과, 이러한 충돌의 결과는 무작위가 아니며, 핵 내부의 '껍질(shells)'에 의해 크게 유도된다는 것이 밝혀졌습니다. 원자 내의 전자가 특정 에너지 준위나 껍질에 배열되는 것처럼, 핵 내부의 양성자와 중성자 또한 특정 안정적인 그룹으로 배열되기를 선호합니다. 연구진은 칼슘, 스칸듐, 티타늄, 바나듐과 같이 가벼운 투사체를 사용하는 충돌에서는 시스템이 납-208과 매우 흡사한 형태의 파편을 남기는 방식으로 부서지려는 강한 경향이 있다는 것을 발견했습니다. 납-208은 양성자와 중성자가 완전한 구형 껍질을 채우고 있기 때문에 특히 안정적인 핵입니다. 시뮬레이션에 따르면 충돌하는 핵들은 이 안정적인 구성으로 '조준'하는 듯하며, 이로 인해 무거운 파편이 특정 수의 양성자와 중성자를 가진 안정적인 납과 유사한 구조를 형성하게 됩니다. 이러한 거동은 이러한 가벼운 투사체를 사용한 모든 반응에서 일관되게 나타났으며, 이는 보편적인 규칙이 작용하고 있음을 시사합니다.
하지만 연구진이 더 무거운 투사체인 크로뮴-54를 사용했을 때 이야기는 달라졌습니다. 이 충돌에서는 유도하는 힘이 달랐습니다. 구형의 납과 같은 파편을 형성하는 대신, 시스템은 라듐-224를 닮은 무거운 파편을 생성하려는 강한 경향을 보였습니다. 이 라듐과 유사한 핵은 구형이 아니라 배 모양(pear-shaped)에 가깝습니다. 이러한 모양은 양성자와 중성자가 변형된 옥토폴(octupole) 형태의 껍질에 안착하는 다른 종류의 내부 안정성에 의해 발생합니다. 시뮬레이션은 크로뮴-54가 사용될 때 충돌 역학이 이 배 모양의 안정성에 의해 주도되며, 이는 가벼운 투사체를 사용한 반응과는 근본적으로 다른 독특한 유형의 준붕괴를 초래한다는 것을 보여주었습니다.
파편의 모양 외에도, 연구진은 두 핵이 분리되기 전까지 얼마나 오랫동안 접촉 상태를 유지하는지 조사했습니다. 그들은 투사체의 무게와 분리 속도 사이에 명확한 관계가 있음을 발견했습니다. 투사체가 칼슘에서 티타늄, 그리고 크로뵤로 점점 더 무거워짐에 따라 핵이 접촉하는 시간은 현저히 짧아졌습니다. 이는 더 무거운 투사체가 더 많은 전기적 전하를 운반하여, 핵을 더 빠르게 밀어내는 더 강한 반발력을 생성하기 때문입니다. 이러한 급격한 분리는 핵이 완전히 융합되어 안정적인 새로운 원소로 자리 잡을 시간을 줄어들게 만듭니다. 연구진은 이러한 단축된 접촉 시간이 과학자들이 칼슘 투사체에서 티타늄이나 크로뵤와 같은 더 무거운 투사체로 전환할 때 새로운 원소를 만드는 성공률이 급격히 떨어지는 주요 원인이라고 제안합니다.
또한 연구는 충돌 중에 중성자와 양성자의 균형이 어떻게 변하는지 살펴보았습니다. 그들은 핵이 매우 빠르게 분리됨에도 불구하고, 핵들이 서로 중성자와 양성자를 매우 효율적으로 공유한다는 것을 발견했습니다. 분리될 때쯤 두 파편 사이의 중성자 대 양성자 비율 차이는 매우 작고 모든 연구된 반응에서 일관되게 나타났습니다. 이 발견은 다른 과학자들이 이러한 반응이 어떻게 작동하는지에 대한 더 나은 모델을 구축하는 데 사용할 수 있는 정밀한 미시적 제약 조건을 제공합니다.
궁극적으로, 이 연구는 초중원소가 탄생할지 아니면 형성하는 데 실패할지를 결정하는 보이지 않는 힘에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다. 이는 핵의 내부 껍질 구조가 충돌의 청사진 역할을 하여, 파편이 구형이 될지 혹은 배 모양이 될지를 결정한다는 것을 확인시켜 줍니다. 또한, 전기적 반발력에 의해 생성되는 물리적 장벽이 분리 과정을 가속화한다는 점을 강조합니다. 이러한 통찰은 119번과 120번 원소를 합성하려는 지속적인 노력에 필수적입니다. 어떤 투사체와 표적의 조합이 성공할 가능성이 높고 왜 다른 것들은 실패하는지를 정확히 이해함으로써, 과학자들은 실험에 대해 더 정보에 입각한 선택을 할 수 있으며, 잠재적으로 주기율표에 새로운 원소를 성공적으로 만드는 길을 안내할 수 있습니다.
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