다중 포논 γ 진동, 첫 관측: 중성자 풍부 홀‑홀 핵 104Nb의 구조 탐구

초록

104Nb(⁴¹Nb₆₃)에서 다중 포논 γ‑진동 밴드(1γ, 2γ)를 최초로 확인하였다. 고스핀 상태는 fission‑fragment 식별기와 γ‑트래킹 어레이를 결합한 실험으로 확보했으며, 트리아축 투사 쉘 모델(TPSM) 계산이 관측된 에너지, 전이 강도, 관성 모멘트와 일치한다. 141 keV 이소머의 붕괴를 통해 평평한(obl‑) 형태와 트리아축‑obl 공존 가능성을 제시한다.

상세 분석

본 연구는 중성자 풍부 영역(N≈60)에서 급격한 형태 전이와 양자 상전이가 일어나는 Nb 동위 원소군에 속하는 ⁴¹Nb₆₃을 대상으로, 다중 포논 γ‑진동이 홀‑홀 핵에서도 유지될 수 있음을 실험적으로 증명하였다. 실험은 두 가지 상보적 접근법을 사용한다. 첫 번째는 ²⁵²Cf 자발핵분열에서 방출된 파편을 고해상도 Germanium 검출기 배열(Gammasphere)로 측정하여 3‑, 4‑중 γ‑코인시던스 매트릭스를 구축한 것이고, 두 번째는 ²³⁸U 빔을 ⁹Be 표적에 충돌시켜 생성된 파편을 VAMOS++ 분광기와 AGATA γ‑트래킹 어레이, EXOGAM 지연 γ‑검출기로 동시에 분석한 것이다. VAMOS++는 Bρ와 속도 정보를 이용해 A와 Z를 정밀하게 식별함으로써, 동일 핵종에 대한 고스핀 상태와 저스핀 이소머(141 keV, T₁/₂≈5 s) 사이의 전이를 명확히 구분할 수 있었다.

레벨 스키마는 7개의 밴드와 추가 레벨을 포함하며, 특히 (1) yrast 밴드, (2) 1γ 밴드(K=7), (3) 2γ 밴드(K=9)가 핵심이다. 이들 밴드의 헤드 에너지는 각각 0 keV, 656 keV, 1 188 keV 정도이며, 두 번째와 세 번째 밴드의 K값이 7, 9인 점은 단일 입자(프로톤·중성자) 쿼시입자 결합만으로는 설명되지 않는다. 실제로 두 밴드의 헤드 에너지는 짝짓기 간격(2Δₚ≈1.7 MeV, 2Δₙ≈2.1 MeV)보다 현저히 낮아, 네‑쿼시입자 구성이 아닌 집단적 γ‑진동에 기인함을 시사한다.

전이 강도 분석에서는 656 → 532 keV(밴드 2→3) 연쇄의 각도 상관관계가 A₂=0.09(3), A₄=0.02(5)로, 전형적인 E2 전이와 일치한다. 또한 B(M1)/B(E2) 비율과 (g_K−g_R)/Q₀ 값이 0.07~0.08 수준으로, 0γ, 1γ, 2γ 밴드 전반에 걸쳐 거의 동일한 전기·자기 전이 특성을 보인다. 이는 다중 포논 γ‑진동이 홀‑홀 핵에서도 전형적인 K‑보존 회전과 유사한 전이 구조를 유지함을 의미한다.

이론적으로는 트리아축 투사 쉘 모델(TPSM)을 적용하였다. ε=0.32, ε′=0.19의 변형 파라미터와 G₁=20.12 MeV, G₂=13.13 MeV의 짝짓기 상수를 사용해 1‑쿼시입자·3‑프로톤·3‑중성자 기반 베이스를 구축하였다. 계산된 밴드 에너지, 관성 모멘트 J(1) 및 전이 비율이 실험 데이터와 매우 높은 일치를 보였으며, 특히 0γ, 1γ, 2γ 밴드의 관성 모멘트가 거의 동일함을 재현했다. 이는 다중 포논 γ‑진동이 트리아축 회전과 구별되는 고유한 집단적 모드임을 뒷받침한다.

141 keV 이소머의 붕괴 경로와 전이 강도 분석을 통해, 이 상태가 평평한(obl) 형태를 갖는 가능성을 제시한다. 이소머는 10 keV 저스핀 밴드(6)와 연결되며, 그 전이 강도와 g‑인자 차이로부터 (g_K−g_R)/Q₀≈0.07 정도가 추정된다. 이는 트리아축(γ‑진동)과 평평한 형태가 동시에 존재할 수 있는 형태 공존(coexistence) 현상을 암시한다.

요약하면, 본 연구는 (i) 홀‑홀 핵 ⁴¹Nb₆₃에서 최초로 1γ·2γ 다중 포논 γ‑진동 밴드를 확인, (ii) 고스핀·저스핀 상태를 동시에 포괄하는 정밀 실험 체계를 구축, (iii) TPSM을 통한 정량적 이론 해석으로 실험 결과를 재현, (iv) 141 keV 이소머를 매개로 트리아축·평평함 형태 공존 가능성을 제시함으로써, N≈60 전이 영역에서 홀‑홀 핵의 집단적 거동에 대한 새로운 통찰을 제공한다.