The effect of the coupling between the neutron multiplicity and the fission competition on the evaporation residue cross sections of the $^{48}$Ca$+^{244}$Pu reaction

물질의 진정한 한계를 이해하려는 탐구 속에서, 핵물리학자들은 끊임없이 가능한 가장 무거운 원자를 만들기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 초중원소들은 자연계에 존재하지 않으며, 두 개의 가벼운 원자핵을 엄청난 속도로 충돌시켜 실험실에서 직접 만들어내야 합니다. 이들이 충돌할 때, 때때로 이들은 하나의 거대하고 고도로 들뜬 상태인 단일 핵으로 융합됩니다. 이렇게 탄생한 새로운 존재는 테이블 위에서 비틀거리는 팽이처럼 불안정하며, 살아남기 위해 빠르게 식어야 합니다. 이를 위해 이 핵은 과잉 에너지를 방출하며 미세한 입자, 구체적으로는 중성자를 쏘아 보냅니다. 만약 이 핵이 쪼개지지 않고 냉각되는 데 성공한다면, 그것은 새로운 더 무거운 원소가 됩니다. 그러나 이런 일이 일어날 확률은 믿기 힘들 정도로 희박합니다. 핵은 중성자를 방출하여 식으려는 욕구와, 두 개로 쪼개지려는 압도적인 충동 사이의 투쟁을 끊임없이 벌입니다. 이 과정을 '핵분열'이라고 합니다. 새로운 원소를 만들어내느냐, 아니-순간 만에 사라지는 것을 지켜보느냐의 차이는 종종 1초 미만의 찰나와 아주 적은 양의 에너지에 달려 있습니다.

우즈베키스탄의 한 연구팀은 이 냉각 전투가 어떻게 전개되는지, 특히 플레로븀(flerovium)의 동위원소를 생성하는 반응에 대해 새로운 시각을 제시했습니다. 그들은 칼슘-48 원자 빔이 플루토늄-244 표적을 타격하는 특정 충돌에 집중했습니다. 이 반응은 과학자들이 현재 초중핵을 만드는 데 사용하는 가장 신뢰할 수 있는 방법 중 하나이지만, 정확히 얼마나 많은 새로운 원자가 생성될지 예측하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있었습니다. 연구진은 수십 년 동안 과학자들이 이러한 확률을 계산해 온 표준적인 방식이 퍼즐의 중요한 조각을 놓치고 있다는 것을 발견했습니다. 냉각 과정을 모델링하는 방식을 바꿈으로써, 그들은 기존의 방법들이 특정 결과에 대한 생존 확률을 상당히 저평가하고 있었음을 발견했으며, 이는 중성자가 방출되는 횟수와 핵이 쪼개질 위험 사이의 관계가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 밀접하게 얽혀 있음을 드러냈습니다.

이 연구는 초중원자핵의 생애 중 특정 순간에 초점을 맞춥니다. 칼슘과 플루토늄이 초기 충돌을 통해 융합된 후, 결과물인 핵은 뜨겁고 회전하는 상태가 됩니다. 이 핵은 생존을 위해 에너지를 방출해야 합니다. 핵은 중성자를 하나씩 방출하며 이 일을 수행합니다. 이 냉각 과정의 매 단계마다 핵은 선택의 기로에 섭니다. 중성자를 하나 더 내뱉고 다음 단계를 향해 살아갈 것인지, 아니면 쪼개져서 죽을 것인지 결정해야 합니다. 과거에 과학자들은 이 두 가지 선택을 별개의 사건으로 취급하여 생존 확률을 계산했습니다. 그들은 먼저 핵이 평균적으로 얼마나 많은 중성자를 버릴 것인지를 추정하고, 그다음 별도로 각 평균 경로를 따라 쪼개질 확률을 계산했습니다. 이는 핵이 단 하나의 예측 가능한 궤적을 따른다고 가정한 방식이었습니다.

새로운 연구는 이러한 분리를 거부합니다. 저자들은 핵이 단 하나의 평균적인 궤적을 따르지 않는다고 주장합니다. 대신, 모든 핵은 자신만의 고유한 경로를 따르며, 서로 다른 시점에 서로 다른 양의 에너지를 잃습니다. 어떤 핵은 에너지를 빠르게 잃고 일찍 차가워지며, 어떤 핵은 더 오랫동안 뜨거운 상태를 유지합니다. 핵이 쪼개질 위험은 핵이 뜨거울 때 가장 높습니다. 따라서 여러 개의 중성자를 방출할 만큼 오래 살아남은 핵들은 '평균적인' 뜨거운 핵들이 아닙니다. 그들은 다행히 평균보다 더 차갑게 유지되었던 핵들입니다. 중성자의 수와 쪼개질 위험을 독립적인 것으로 취급함으로써, 기존의 방식은 이러한 미묘한 필터링 효과를 놓쳤습니다. 기존 방식은 생존자들이 평균만큼 뜨거울 것이라고 가정했지만, 실제로는 생존자들이 운 좋게 더 차가웠던 이들이었습니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해, 연구진은 평균값이 아닌 전체 핵의 집단을 추적하는 새로운 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그들은 충돌을 시뮬레이션하고 수천 개의 개별 핵이 냉각되는 과정을 추적하며, 각 핵이 중성자를 방출할지 아니면 쪼개질지에 대해 스스로 결정을 내리도록 했습니다. 이 '결합된(coupled)' 접근 방식은 중성자가 방출되는 수와 핵분열과의 경쟁이 각 핵의 실제 에너지에 기반하여 동시에 결정되도록 했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 연구진이 조사한 특정 반응의 경우, 새로운 방식은 특정 유형의 플레로븀 원자(세 개의 중성자를 방출하여 형성됨)가 생성될 확률이 기존 방식의 예측보다 훨씬 높다는 것을 보여주었습니다. 특정 에너지 수준에서, 새로운 계산은 생존 확률이 전통적인 추정치보다 17배에서 24배 더 크다는 것을 보여주었습니다.

이 엄청난 차이는 생성된 총 원자의 수가 틀렸다는 의미가 아니라, 서로 다른 유형의 원자들의 분포가 틀렸다는 것을 의미했습니다. 기존 방식은 단순히 조금 틀린 것이 아니라, 서로 다른 결과들의 상대적 강도를 잘못 판단하고 있었습니다. 기존 방식은 세 개의 중성자 결과가 나타날 가능성을 과소평가한 반면, 네 개의 중성자 결과에는 훨씬 적은 영향을 미쳤습니다. 이는 냉각과 쪼개짐 사이의 결합이 왜 어떤 반응이 특정 동위원소를 더 많이 생성하는지를 이해하는 핵심임을 시사합니다. 또한 연구진은 핵을 결합하는 에너지 장벽의 정확한 높이가 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 그들은 100만 전자볼트(eV) 미만의, 핵물리학 세계에서는 아주 미미한 차이를 보이는 두 가지 방식의 장벽 계산법을 테스트했습니다. 그러나 이 아주 작은 차이가 예측된 생존 확률을 10배 이상 변화시켰습니다. 이는 냉각 과정을 추적하는 새로운 방법이 주요한 개선이지만, 여전히 가장 큰 불확실성은 이 초중핵을 붙잡아주는 힘의 정밀한 강도를 아는 데 있다는 점을 강조합니다.

연구팀은 자신들의 새로운 계산을 지난 20년 동안 러시아, 독일, 미국의 실험실에서 수집된 실제 실험 데이터와 비교했습니다. 결합된 냉각과 쪼개짐의 특성을 고려한 그들의 새로운 모델은 14개의 측정 데이터 포인트 중 8개를 2배 이내의 오차 범위 내에서 성공적으로 재현했습니다. 이는 이토록 복잡한 시스템에서 상당한 정확도 향상입니다. 모델이 에너지 곡선의 상승 엣지 부분과 매우 높은 에너지 영역에서 데이터를 완벽하게 일치시키는 데는 여전히 어려움을 겪었지만, 이전의 시도들보다 훨씬 더 명확한 과정을 제공했습니다. 이 작업은 초중원소의 생성을 진정으로 예측하기 위해서는 냉각 과정을 단순한 선형 평균으로 취급하는 것을 멈추고, 모든 개별 핵의 복잡하고 개별적인 여정을 고려해야 함을 보여줍니다.

궁극적으로, 이 연구는 단순히 숫자를 정교화하는 것이 아니라 메커니즘 자체에 대한 이해를 바꿉니다. 이는 초중핵의 생존이 단순한 통계가 평균 경로에 적용되는 문제가 아니라, 생존자들이 원래 집단의 특정하고 더 차가운 하위 집단이 되는 복잡한 필터링 과정임을 보여줍니다. 연구진은 새로운 방법이 강력한 도구이긴 하지만, 앞으로 나아가기 위해서는 핵력의 작용에 대한 더욱 정밀한 지식이 필요하다고 결론지었습니다. 핵분열 장벽의 정확한 강도가 더 확실하게 알려지기 전까지는, 아무리 정교한 컴퓨터 모델을 사용하더라도 새로운 원소가 얼마나 생성될지에 대한 예측은 제한적일 수밖에 없습니다. 이 연구는 미립자의 세계에서는 사물이 일어나는 방식의 세부 사항이 최종 결과만큼이나 중요하다는 사실을 상기시켜 줍니다.