AMS로 해결한 62Ni 별 문제

초록

62Ni와 63Ni의 중성자 포획 단면적은 약한 s-프로세스 흐름에 핵심적인 역할을 한다. 기존 62Ni(n,γ) 실험값이 12~37 mb로 크게 차이났으나, 뮌헨 Tandem 가속기에서 GAMS AMS를 이용한 두 차례 활성화 실험을 통해 30 keV에서 <σ>=23.4 ± 4.6 mb라는 일관된 값을 얻었다. 또한 ELBE 가속기에서 64Ni(γ,n)63Ni 반응을 조사한 결과, NON‑SMOKER 예측보다 2배 이상 낮은 단면적을 확인하였다.

상세 분석

본 연구는 약한 s‑프로세스(weak s‑process)에서 62Ni와 63Ni가 차지하는 위치가 전체 핵합성 흐름에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 한다. 62Ni는 핵심적인 “보틀넥” 역할을 하며, 63Ni는 β‑붕괴를 통해 63Cu로 전이되므로 두 동위 원소의 중성자 포획 단면적이 정확히 알려져야 모델링에 신뢰성을 부여한다. 그러나 기존의 62Ni(n,γ) 실험값은 30 keV에서 12 mb에서 37 mb까지 크게 분산되어 있었으며, 63Ni에 대한 직접 측정은 아직 이루어지지 않았다. 이러한 불확실성은 천체물리 모델에서 A≈90까지의 원소 생산량을 크게 왜곡시킬 수 있다.

연구팀은 두 차례의 활성화 실험을 수행하고, 그 후 GAMS(General Atomics Mass Spectrometer) 시스템을 이용해 방사성 63Ni/58Ni 비율을 정밀하게 측정하였다. 활성화 표적은 고순도 62Ni와 63Ni 시료를 사용했으며, 중성자 플럭스는 2.5 MeV D(d,n) 반응을 통해 생성하였다. AMS 측정에서는 전하 상태 선택, 전자 빔 전압 조절, 그리고 다중 충돌 체계(MC) 기술을 적용해 배경을 최소화하고, 10⁻¹⁴ 수준의 동위 원소 비율까지 검출 가능하게 하였다. 결과적으로 30 keV Maxwellian 평균 단면적 <σ>₃₀keV = 23.4 ± 4.6 mb를 얻었으며, 이는 최근 시간‑비행(ToF) 측정값과 거의 일치한다. 이로써 이전의 실험적 불일치를 실험 방법론 차이에서 비롯된 것이 아니라 통계적·시스템적 오차가 원인임을 입증하였다.

또한 64Ni(γ,n)63Ni 반응을 조사하기 위해 ELBE 자유 전자 레이저 가속기에서 10.3, 11.4, 13.5 MeV의 감마선 빔을 이용해 표적을 광활성화하였다. 활성화된 시료를 동일한 GAMS AMS로 분석한 결과, 13.5 MeV에서 측정된 단면적은 NON‑SMOKER 코드가 예측한 값보다 2배 이상 낮았다. 이는 감마‑유도 중성자 방출 반응에 대한 핵 모델 파라미터, 특히 전이 강도와 레벨 밀도에 대한 재평가가 필요함을 시사한다.

이러한 결과는 (1) 62Ni의 중성자 포획 단면적이 보다 정확히 규명되어 약한 s‑프로세스 네트워크 계산에 바로 적용 가능함, (2) 63Ni에 대한 직접적인 실험 데이터가 확보되어 β‑붕괴 경로를 정밀히 모델링할 수 있게 됨, (3) 감마‑유도 반응에 대한 이론 모델이 과대평가되고 있음을 보여주어 핵천체물리 이론의 개선 필요성을 강조한다는 점에서 학문적·실용적 의미가 크다.