중성자 수명 문제 및 그 해결책

중성자는 물질의 기본 구성 요소 중 하나입니다. 안정된 원자핵의 일부인 한, 임의의 시간 동안 거기에 머물 수 있습니다. 그러나 자유 중성자의 상황은 다릅니다. 평균적으로 약 15분 후에 붕괴됩니다.

그러나 이상하게도, 자유 중성자의 평균 수명에 대해 서로 모순되는 결과가 얻어졌습니다. 중성자를 중성자 빔에서 측정하는지 아니면 어떤 종류의 '병'에서 측정하는지에 따라 다릅니다. TU Wien의 연구팀은 이제 가능한 설명을 제안했습니다. 이전에 발견되지 않은 중성자의 들뜬 상태가 있을 수 있습니다. 즉, 일부 중성자는 약간 더 많은 에너지와 약간 다른 수명을 가진 상태에 있을 수 있습니다. 이것이 측정된 불일치를 설명할 수 있습니다. 이 팀은 또한 이 중성자 상태를 감지하는 방법에 대한 아이디어를 이미 가지고 있습니다.

두 가지 측정 방법, 두 가지 결과

순전히 우연의 일치로, 아무런 이유 없이 중성자는 양자 이론의 법칙에 따라 자발적으로 붕괴되어 양성자, 전자, 반중성미자로 변할 수 있습니다. 이는 특히 자유 중성자일 경우 그럴 가능성이 큽니다. 중성자가 다른 입자와 결합하여 원자핵을 형성하면 안정될 수 있습니다.

자유 중성자의 평균 수명은 놀랍게도 측정하기 어렵습니다. "거의 30년 동안 물리학자들은 이 주제에 대한 모순된 결과에 당황했습니다." TU Wien의 이론 물리학 연구소의 Benjamin Koch가 말했습니다. 그는 동료인 Felix Hummel과 함께 이 퍼즐을 분석했습니다. 두 사람은 또한 TU Wien의 원자 연구소의 Hartmut Abele이 이끄는 중성자 연구팀과 긴밀히 협력하고 있습니다.

"이러한 측정을 위해 원자로가 중성자원으로 자주 사용됩니다." Benjamin Koch가 설명합니다. "자유 중성자는 원자로에서 방사성 붕괴 중에 생성됩니다. 그런 다음 이러한 자유 중성자를 중성자 빔으로 보내어 정확하게 측정할 수 있습니다." 중성자 빔의 시작 부분에 있는 중성자의 수와 붕괴 과정에서 생성된 양성자의 수를 측정할 수 있습니다. 이러한 값을 매우 정확하게 결정하면 빔에 있는 중성자의 평균 수명을 계산할 수 있습니다.

그러나 다른 접근 방식을 취하고, 예를 들어 자기장의 도움을 받아 일종의 '병'에 중성자를 저장하는 것도 가능합니다. "이것은 중성자 빔의 중성자가 병 속의 중성자보다 약 8초 더 오래 산다는 것을 보여줍니다."라고 Benjamin Koch는 말합니다. "평균 수명이 900초에 약간 못 미치는데, 이는 상당한 차이입니다. 단순한 측정 부정확성으로 설명하기에는 너무 큽니다."

알려지지 않은 새로운 국가?

Benjamin Koch와 Felix Hummel은 이제 다음과 같이 보여줄 수 있었습니다. 이러한 불일치는 중성자가 여기 상태(이전에 발견되지 않았지만 약간 더 높은 에너지를 가진 상태)를 가질 수 있다고 가정하면 설명할 수 있습니다. 이러한 상태는 원자에 대해 잘 알려져 있으며 예를 들어 레이저의 기초가 됩니다. Benjamin Koch는 "중성자의 경우 이러한 상태를 정확하게 계산하는 것이 훨씬 더 어렵습니다."라고 말합니다. "그러나 중성자 수명 측정의 다른 결과를 설명하기 위해 어떤 특성을 가져야 하는지 추정할 수 있습니다."

연구자들의 가설은 자유 중성자가 방사성 붕괴에서 나올 때 처음에는 여러 상태가 혼합되어 있다는 것입니다. 일부는 소위 기저 상태의 일반 중성자이지만 일부는 약간 더 많은 에너지를 가진 들뜬 상태입니다. 그러나 시간이 지남에 따라 이러한 들뜬 중성자는 점차 기저 상태로 바뀝니다. 펠릭스 험멜은 "거품 욕조와 비슷하다고 생각할 수 있습니다."라고 말합니다. "에너지를 더해 거품을 만들면 많은 거품이 생성됩니다. 거품 욕조를 들뜬 상태로 만들었다고 말할 수 있습니다. 하지만 기다리면 거품이 터지고 욕조는 저절로 원래 상태로 돌아갑니다."

들뜬 중성자 상태에 대한 이론이 맞다면, 중성자 빔에는 여러 다른 중성자 상태가 상당수 존재한다는 것을 의미합니다. 반면 병 속의 중성자는 거의 전적으로 기본 상태 중성자일 것입니다. 결국, 중성자가 식어서 병에 갇히는 데는 시간이 걸리며, 그 시점까지 대부분은 이미 기본 상태로 돌아갔을 것입니다.

"우리 모델에 따르면 중성자의 붕괴 확률은 상태에 크게 의존합니다." 펠릭스 험멜이 말했습니다. 논리적으로, 이는 중성자 빔의 중성자와 중성자 병의 중성자에 대한 평균 수명이 서로 다르다는 결과를 낳습니다.

추가 실험이 필요합니다

"저희 계산 모델은 우리가 검색해야 할 매개변수 범위를 보여줍니다."라고 Benjamin Koch는 말합니다. "여기 상태의 수명은 300초보다 짧아야 합니다. 그렇지 않으면 차이를 설명할 수 없습니다. 하지만 5밀리초보다 길어야 합니다. 그렇지 않으면 중성자는 빔 실험에 도달하기 전에 이미 기본 상태로 돌아갈 것입니다."

이전에 발견되지 않은 중성자 상태에 대한 가설은 과거 실험의 데이터를 사용하여 테스트할 수 있습니다. 그러나 이 데이터는 재평가해야 합니다. 그러나 설득력 있는 증명을 위해서는 추가 실험이 필요할 것입니다. 현재 이러한 실험을 계획하고 있습니다. 이를 위해 연구자들은 PERC 및 PERKEO 실험이 이 작업에 적합한 TU Wien의 원자 및 아원자 물리학 연구소 팀과 긴밀히 협력하고 있습니다. 스위스와 미국 로스앨러모스의 연구 그룹도 이미 측정 방법을 사용하여 새로운 가설을 테스트하는 데 관심을 보였습니다. 기술적으로나 개념적으로 필요한 측정을 방해하는 것은 없습니다. 따라서 새로운 논문이 실제로 수십 년 된 물리학 문제를 해결했는지 곧 알 수 있기를 바랄 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241016120138.htm