태양을 포함한 우주의 많은 별에서의 중성미자를 생성하는 핵반응과 메커니즘은 별의 진화과정 뿐만 아니라 우주의 진화 및 구조에 대한 연구와 우주의 원소의 기원을 이해하는데 필수적이다. 우주에는 X선 버스트(X-ray bursts), 감마선 버스트(gamma-ray burst), 신성, ...

태양을 포함한 우주의 많은 별에서의 중성미자를 생성하는 핵반응과 메커니즘은 별의 진화과정 뿐만 아니라 우주의 진화 및 구조에 대한 연구와 우주의 원소의 기원을 이해하는데 필수적이다. 우주에는 X선 버스트(X-ray bursts), 감마선 버스트(gamma-ray burst), 신성, 초신성과 같은 폭발적인 천체가 있다. 현대물리는 초신성과 같은 별에서는 핵반응을 통하여 엄청난 에너지와 새로운 원자가 생성된다는 사실을 이해하고 있다. 초신성 뿐 아니라 신성이나, x선 버스트, 또는 쌍둥이별에서 일어나는 핵반응에 대한 연구는 지구상에 존재하는 원소들의 비율에도 많은 시사점을 제공한다. X선 버스트, 신성, 초신성에서 핵반응이 발생하는데 정확하게 어떤 핵반응이, 얼마나 빨리 일어나는지에 대한 연구에는 가속기가 활용되고 있다. 특히 최근에는 방사선 동위원소 빔 (radioacitve ion beam)을 사용하여 더 많은 핵천체물리학적으로 중요한 실험을 많이 하고 있다. 본 대학교수해외방문연구 지원을 받게 되면 관련 분야의 전문가가 많이 있는 미국 휴스턴 대학이나 예일 대학에서 이 분야의 연구를 매진하려고 한다.

◎ 방사능 빔에 의한 핵반응측정
현재 우주에 존재하는 원소의 기원은 초신성 폭발 메커니즘, 그리고 핵반응 단면적으로 이해할 수 있다. 철 이하의 원소들은 CNO 싸이클에서 시작하여 핵융합에 의하여 철까지 진행되고, 철 이상의 무거운 원소들은 주로 중성자 포획과 베타붕괴에 의하여 생성된다(s-process). s-process에 의하여 생성되지 않는 철 이상의 중성자 과다(neutron rich) 원소들의 기원에 대하여는 급속히 진행되는 중성자 포획반응(r-process)에 의하여 진행될 것으로 예측할 수 있는데 초신성 폭발과정에서 r-process가 진행될 것으로 예상되어 왔다. 최근의 초신성에서 생성되는 중성미자의 측정 및 이론에 의하면 초신성의 중성미자와 핵자의 하전류(charged current) 상호작용에 의하여 많은 중성자가 생성되며 이들 중성자의 포획에 의하여 r-process가 진행될 가능성이 제기되었다.

◎ 초신성에서 만들어지는 중성미자 관련 연구
중성미자에 대한 연구는 외국의 과학계에서 현재 가장 중요시 하는 문제 중의 하나이고 특히 중성미자와 초신성의 관계에 대해서 미국의 National Academy of Science(NAS)는 시급히 알아야 할 과학계의 일곱 가지 질문 중의 둘 ((1) How were the heavy elements from Iron to Uranium made? (2) How have neutrinos shaped the evolution of the Universe?)로 꼽았다. NAS 보고서의 결론은 좀 더 정확한 초신성 폭발 simulation이 필요하다는 것이었고, 이를 위해서는 중성미자와 핵의 반응단면적(cross section) 데이타가 빠른 시기 안에 필요 하다는 것 이었다. 이를 위한 공동연구 준비가 수십 명이 넘는 과학자들의 모임으로 확산 되었고 미국의 오크리지 국립연구소에 있는 Spallation Neutron Source (SNS)에 계획안이 제출 되었다. SNS는 neutron scattering 연구를 위해 만들어지는 양성자 가속기로서, 완성이 되면 현존하는 가속기의 10배의 beam intensity를 자랑하게 될 것이다. 중성미자 사용을 위해 만든 가속기는 아니지만 부산물로서 중성미자의 beam intensity 또한 10배 이상 증가를 가져오게 되었다. 중성미자-핵반응 단면적 측정 실험을 ν-SNS라고 명명했고, 본 과제의 연구자들이 국제공동연구를 하고 있다. 이 실험을 위해서 두 개의 검출기를 필요로 하는데 하나는 carbon (mineral oil) 이나 oxygen (water)의 cross section을 측정하는 액체 검출기이고, 또 하나는 철, 알루미늄, 납을 측정하는 분산된 검출기(Segmented Detector) 이다.

초신성의 바깥껍질에서 퍼뜨려지는 원소들중 철보다 가벼운 원소들은 직접 폭발적 핵합성에서 새로이 합성되는 것이 주된 요인이 아니라 초신성 전 단계에서 합성된 원소들이 퍼뜨려지는 것이기 때문에 CNO 싸이클 및 탄소합성등의 반응율(reaction rate)이 중요하다. 또한 양성자과다(proton rich)핵들은 신성, 초신성이 폭발할 때의 “짧은” 시간 동안의 폭발적 핵합성 (explosive nucleosynthesis : rp-process)에 의하여 생성될 것으로 예상된다. 이들 CNO 싸이클의 일부와 r-, rp-process에 관계하는 핵들은 아주 짧은 반감기를 가지고 있어서 방사능 빔으로만 실험이 가능한 채널이 많이 존재한다. 최근의 방사능 빔 시설의 개발은 이러한 반응을 이전보다 훨씬 정밀하게 측정할 수 있는 가능성을 열어놓고 있다.

-. 본 연구가 성공적으로 완료되면, 초신성 메커니즘에 대한 구체적인 본 연구를 바탕으로 감마선 폭발과 같은 아직 잘 알려져 있지 않는 천체 현상의 메커니즘 연구에 활용할 수 있다.

-. 천체물리학적으로 중요한 저에너지의 보다 정밀한 핵반응 단면적을 얻을 것이 ...

-. 본 연구가 성공적으로 완료되면, 초신성 메커니즘에 대한 구체적인 본 연구를 바탕으로 감마선 폭발과 같은 아직 잘 알려져 있지 않는 천체 현상의 메커니즘 연구에 활용할 수 있다.

-. 천체물리학적으로 중요한 저에너지의 보다 정밀한 핵반응 단면적을 얻을 것이다. 이들 데이터들은 다시 데이터 네트워크를 통하여 현존하는 동위원소 Abundance와 비교될 것이며, 핵물리학적으로도 중요한 자료가 될 것이다.
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-. 중성미자-핵 산란의 측정자체가 국내에서 이루어지면 국내의 중성미자 물리학의 발전에 중요한 전기를 마련할 수 있다.

-. 본 연구자가 미국에 연구년으로 있는 동안 본인의 학생들에게 국제적인 수준의 실험을 수행할 수 있는 기회를 제공함으로써, 외국 과학자들과 동등한 위치에서, 국제적으로 물리학 연구를 주도하는 대열에 동참할 수 있는 발판을 마련한다는 부수적인 목표도 가지고 있다.

천체 핵물리 연구에서는 핵물리학적 지식을 기반으로 X-ray burst, 초신성폭발 및 중성자별과 같은 천체 현상에 대한 연구를 수행한다. 방사선 이온빔을 이용한 실험을 통하여 초신성 폭발에서의 핵융합과정에 대한 연구를 수행하고, 중성미자 실험을 통하여 초신성 폭발 ...

천체 핵물리 연구에서는 핵물리학적 지식을 기반으로 X-ray burst, 초신성폭발 및 중성자별과 같은 천체 현상에 대한 연구를 수행한다. 방사선 이온빔을 이용한 실험을 통하여 초신성 폭발에서의 핵융합과정에 대한 연구를 수행하고, 중성미자 실험을 통하여 초신성 폭발의 과정에서 방출되는 초신성 중성미자에 대한 연구를 수행한다. 또한, 중성미자와 핵의 상호작용에 대한 이론적 연구를 병행한다. 또한 중이온 실험에서 수행된 고온·고밀도 상전이 현상에 대한 연구는 중성자별 내부의 저온·고밀도 상전이 현상에 대한 실험적인 단서를 제공할 수 있다.

◎ 초신성과 관련된 핵반응 실험

 현재 우주에 존재하는 원소의 기원은 앞에서 기술한 별의 진화과정과 초신성 폭발 메커니즘, 그리고 핵반응 단면적으로 이해할 수 있다. 철 이하의 원소들은 CNO 싸이클에서 시작하여 핵융합에 의하여 철까지 진행되고, 철 이상의 무거운 원소들은 주로 중성자 포획과 베타붕괴에 의하여 생성된다(s-process). s-process에 의하여 생성되지 않는 철 이상의 중성자 과다(neutron rich) 원소들의 기원에 대하여는 급속히 진행되는 중성자 포획반응(r-process)에 의하여 진행될 것으로 예측할 수 있는데 초신성 폭발과정에서 r-process가 진행될 것으로 예상되어 왔다. 최근의 초신성에서 생성되는 중성미자의 측정 및 이론에 의하면 초신성의 중성미자와 핵자의 하전류(charged current) 상호작용에 의하여 많은 중성자가 생성되며 이들 중성자의 포획에 의하여 r-process가 진행될 가능성이 제기되었다.

 초신성의 바깥껍질에서 퍼뜨려지는 원소들 중 철보다 가벼운 원소들은 직접 폭발적 핵합성에서 새로이 합성되는 것이 주된 요인이 아니라 초신성 전 단계에서 합성된 원소들이 퍼뜨려지는 것이기 때문에 CNO 싸이클 및 탄소합성 등의 반응률(reaction rate)이 중요하다. 또한 양성자과다(proton rich)핵들은 신성, 초신성이 폭발할 때의 '짧은' 시간 동안의 폭발적 핵합성 (explosive nucleosynthesis : rp-process)에 의하여 생성될 것으로 예상된다. 이들 CNO 싸이클의 일부와 r-process, rp-process에 관계하는 핵들은 아주 짧은 반감기를 가지고 있어서 방사능 빔으로만 실험이 가능한 채널이 많이 존재한다. 최근의 방사능 빔 시설의 개발은 이러한 반응을 이전보다 훨씬 정밀하게 측정할 수 있는 가능성을 열어놓고 있다. 본 연구에서는 14O(alpha,p)17F, 17F(p,gamma)18Ne, 15O(alpha,gamma)19Ne등의 중요한 핵반응과 11B(n,alpha)8Li, 22Ne(alpha,n)25Mg, 18O(alpha,gamma)22Ne 등의 핵반응 단면적을 방사능 빔 시설을 갖고 있는 휴스톤 그룹이난 예일대 그룹가 같이 미국의 ORNL, 또는 캐나다의 TRIUMF 연구소에서 일정 기간동안 실험을 하려고 한다.