우주 나이의 수조 배나 긴 반감기를 가진 원소의 방사선 붕괴가 관찰되다

Credit : XENON1T

Point

■ 암흑물질 검출장치인 XENON1T는 제논과 암흑물질이 상호작용할 때 나오는 빛을 감지하는 장치
■ 제논124의 반감기는 우주의 나이보다 훨씬 길어, 그 매우 드문 방사선 붕괴가 감출되었다.
■ 현재 XENON1T는 정확도를 더 높이기 위해 개량 중이다

과학 기술의 발전으로 기적 같은 현상이 포착되었다.

XENON Collaboration의 연구팀이 우주 나이 138억 년보다 수조 배나 긴 반감기를 가진 제논의 방사성 붕괴를 검출하는 데 성공했다고 한다.

사용된 장비는 암흑물질 검출을 목적으로 제작된 것으로, 이번의 검출로 그 성능이 증명된 것이다. 암흑물질 검출에 대한 기대는 더욱 높아질 것이다.

암흑물질의 자객! 'XENON1T'의 굉장함

제논은 비활성기체에 속하는 원소이다. '제논 램프' 등, 제논 가스 중에서의 방전에 의한 발광을 이용한 전등에 사용되고 있다.

Hi-Res Images of Chemical Elements

방사성 동위원소가 여럿 존재하고 이번에 사용된 제논124는 매우 안정적으로 반감기는 1.8 × 10 ^22년으로 우주의 나이보다 훨씬 길다. 따라서 이번 관측의 성공은 매우 행운이었다고 할 수 있다.

방사성 붕괴는 원자가 방사선의 방출을 동반하며 붕괴하는 현상으로, 방사성 붕괴 자체는 어느 순간 일어날 가능성이 있는데, 반감기가 긴 것은 그 가능성이 극히 작다는 것이다.

이번 붕괴를 감지한 XENON1T는 암흑물질을 찾는 것이 주요 목적이다. 고순도 액체 제논 1300kg을 깊은 물밑 1500m에 담가 우주선으로부터 지키고 있다.

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https://images.app.goo.gl/R2kY3UwD5Xws6BS4A

이미지: Xenon - Wikipedia

만약 암흑물질이 제논과 반응한다면 작은 빛이 일어날 것이다. 그리고 미약한 빛을 검출할 수 있는 높은 감도가 검출기에게 요구되기 때문에, 제논에 일어나는 상호작용이라면 어떤 것이든 감지할 수 있다.

일어난 것은 이중의 기적!

제논 붕괴의 증거는 원자핵 내부의 양성자가 중성자로 변화하여 만들어진 것이다. 많은 방사성 붕괴는 하나의 전자가 핵으로 끌어당겨져 일어난다.

Credit : Wikipedia

하지만 제논 원자 내부의 양성자가 중성자가 되기 위해서는 2개의 전자를 끌어들일 필요가 있다. 이것을 이중 전자 포획이라고 한다.

핵에 뛰어든 두 전자는 원래 가장 핵에 가까운 전자 껍질에 존재하고 있던 전자이다. 전자가 핵에 뛰어들면 2개의 전자 궤도에 여유가 생겨, 다른 전자가 안정적으로 기저상태를 향해 붕괴하는 데, 이를 검출기에서 확인할 수 있다.

이러한 이중 전자 포획에서는 2개의 드문 현상이 동일한 타이밍에 일어날 필요가 있다. 따라서 더 희귀한 현상이 되었다는 것이다.

물론 제논의 방사성 붕괴가 직접 검출된 것은 세계 최초이다.

"물질의 가장 기본적인 특성에 대한 지식의 최전선이 확장된 훌륭한 발견이다"라고 연구진은 말한다.

논문은 'Nature'에서 발표될 예정이다.

XSENON 1T가 데이터를 수집한 기간은 2016년부터 2018년까지로, 현재 운용은 정지되어 있다. 검출기의 감도를 더욱 높이기 위해서다. 감도가 3배 높아져 백그라운드 노이즈도 감소될 것이므로, 그 성능은 한 차원 높아질 것이다. 다음의 발견은 암흑물질이길 기대하고 싶다.

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