구리‑니켈 사이클을 깨뜨리는 59Cu(p,α)56Ni 직접 측정과 폭발 핵합성에 미치는 영향

초록

**
FRIB의 MUSIC 활성 타깃을 이용해 59Cu(p,α)56Ni 반응의 2.43–5.88 MeV 중심질량 에너지 구간에서 직접 단면을 측정하였다. 새로 도출된 별반응률은 기존 REACLIB 값보다 체계적으로 낮으며, X‑ray 폭발(XRB)에서는 Ni‑Cu 사이클을 통한 물질 재순환을 0.1 % 이하로 억제하고, νp‑프로세스에서는 T₉≈3.7까지 효율을 크게 향상시킨다.

**

상세 분석

**
본 연구는 59Cu 이온 빔(8.418 MeV/u)을 FRIB에서 생산한 뒤, 메탄 가스로 채워진 MUSIC 다중 샘플링 이온화 챔버에 주입해 역동역학(inverse kinematics) 방식으로 59Cu(p,α)56Ni 반응을 직접 관측했다. 94 % 순도와 약 9 × 10³ pps의 빔 강도를 확보했으며, 59Ni 오염은 6 % 수준에 머물렀다. MUSIC은 18개의 애노드 스트립으로 구성돼 각 스트립에서 입자들의 에너지 손실(ΔE)을 연속적으로 기록함으로써 반응 위치와 생성 입자(α와 56Ni)를 구분한다. ΔE–ΔE 분석을 통해 8개의 스트립에서 유효 중심질량 에너지(E_eff.c.m.)를 2.43–5.88 MeV 구간으로 나누어 단면을 추출했으며, 통계적 불확실성은 포아송 통계와 Feldman–Cousins 신뢰구간을 적용해 평가하였다.

측정된 단면은 기존 Randhawa et al. (E≈6 MeV)와 Bhathi et al. (4–5 MeV) 데이터와 비교했을 때 전반적으로 높은 값을 보였으며, 특히 NON‑SMOKER 예측을 0.49배 스케일링한 곡선과는 에너지 의존성에서 큰 차이를 나타냈다. TALYS 계산에 Demetriou‑Goriely 분산 α‑optical model potential을 적용하고 전체적으로 0.86배 스케일링하면 실험 데이터와 최소 χ²를 이루어, α‑OMP와 레벨 밀도(level density, LD) 파라미터가 반응률 결정에 핵심적임을 확인했다.

통계 모델 적용 시, 입구 채널 전이(T_p)와 α‑채널 전이(T_α) 모두 레벨 밀도와 α‑OMP에 크게 의존한다. 저에너지(≤1 MeV)에서는 60Zn의 레벨 밀도가 비정상적으로 낮아 통계 모델의 적용 가능성이 의심되지만, 본 연구에서는 1.5배의 불확실성 계수를 도입해 T₉≈1 이하에서도 모델을 사용하였다.

별반응률은 Exp2Rate 코드를 이용해 실험 단면과 TALYS 보정값을 결합해 계산했으며, 열적 상태가 포획된 59Cu의 기여를 포함한 전체(stellar) 반응률을 도출하였다. 온도에 따른 지상 상태 기여도 X(T₉)는 T₉≈2.6에서 약 0.75, T₉≈10에서는 0.10으로 감소한다. 따라서 실험은 T₉≈2.6 근처에서 전체 반응률의 75 %를 직접 제한한다.

비교 결과, 새로 제시된 별반응률은 REACLIB(Non‑SMOKER 기반)보다 저온(T₉≲1)에서 1 dex 이상 낮으며, T₉≈4 ~ 5에서는 REACLIB보다 약간 높은 반면, 고온(T₉≳9)에서는 다시 낮아진다. 이러한 차이는 Ni‑Cu 사이클의 (p,α) 채널이 실제보다 훨씬 약함을 의미한다. X‑ray 폭발 모델에 적용하면 물질이 Ni‑Cu 사이클에 재순환되는 비율이 0.1 % 이하로 감소해 에너지 생성과 폭발 잔류물 조성이 크게 변한다. νp‑프로세스에서는 (p,α) 억제가 늦어져 T₉≈3.7까지 (p,γ) 채널이 우세해 중성자 캡처와 (n,p) 반응이 촉진되며, 무거운 원소 합성 효율이 크게 향상된다.

**