핵 에멀전

핵 에멀젼 플레이트는 20세기 초 핵 및 입자 물리학 실험에서 처음 사용된 입자 검출기의 일종이다.^[1][2] 이것은 사진판의 한 종류지만, 매우 미세한 은빛 할로겐 알갱이들의 더 높은 농도를 함유한 젤라틴의 더 두꺼운 사진 에멀젼으로 코팅되어 있다; 입자 검출에 최적화된 정확한 에멀전 성분. 핵 에멀전은 알파 입자, 핵 또는 중간자와 같은 빠르게 충전된 입자를 기록하고 조사하는 데 사용될 수 있다. 에멀전 노출과 개발 후 현미경을 이용해 단일 입자 궤적을 관찰하고 측정할 수 있다.

현대적인 입자 검출기의 최고 수준조차 능가하는 정밀도인 은빛 할리드 알갱이 크기(미크론 몇 개)만으로 제한되는 극히 높은 공간 정밀도의 일차적 장점을 가지고 있다. 또한 에멀전판은 필요한 양의 데이터가 축적될 때까지 노출되거나 조사될 수 있는 통합 장치다. 마지막으로, 관련 판독 케이블이나 전자 장치가 없어 매우 좁은 공간에 플레이트를 설치할 수 있다. 이러한 특징들은 피-메손과^[3][4] K-메손의 발견을 이끈 우주 광선의 고고도, 산, 풍선을 기반으로 한 연구,^[5] 소핵 "입자 동물원"의 개방, 현대 실험 입자 물리학의^[2] 길을 가능하게 하는데 결정적인 역할을 했다.

핵에멀전의 주요 단점은 입자가 다중 산란과 이온화 에너지 손실을 통해 다른 검출기 구성요소로 이동하는 것을 잠재적으로 방해하는 밀도 있고 복잡한 물질(실버, 브로민, 탄소, 질소, 산소)이라는 점이다. 마지막으로, 유용한 디지털 출력 데이터를 얻기 위한 대량의 에멀전 사진 개발과 스캐닝은 매우 느리고 노동 집약적인 과정이다.

이러한 단점은 새로운 입자 검출기와 입자 가속기 기술의 출현과 맞물려 20세기 말엽 입자물리학에서 핵 에멀전판의 사용이 감소하는 결과를 가져왔다.^[2] 그러나 이 방법은 희귀 과정 연구와 의학 및 생물학에서의 자동 방사선 촬영과 같은 과학의 다른 분야에서 계속 사용되고 있다.

역사

1896년 앙리 베크렐이^[6] 사진 에멀젼을 이용해 방사능을 발견한 후, 어니스트 러더포드는 캐나다 맥길 대학에서, 그 후 영국 맨체스터 대학에서, 그 방법을 사용하여 방사성 물질에 의해 방출되는 방사선을 자세히 연구한 최초의 물리학자들 중 한 명이었다.^[7] 1905년 그는 상업적으로 구할 수 있는 사진판을 사용하여 최근에 발견된 원자핵의 방사성 붕괴에서 생성된 알파선의 성질에 대한 연구를 계속하고 있었다.^[7] 여기에는 알파선을 이용한 조사로 인한 사진판의 어두워짐을 분석하는 작업이 포함되었다. 이 암흑화는 광선을 구성하는 많은 충전된 알파 입자와 사진 개발에 의해 가시화된 사진 에멀전 속의 은빛 할로겐 알갱이가 상호 작용함으로써 가능했다. 러더포드는 맨체스터의 연구 동료인 S. 키노시타에게 알파 입자의 사진 작용에 대해 좀 더 자세히 조사하라고 권했다.

키노시타는 그의 목표에 "단 하나의 𝛂-입자 하나가 탐지 가능한 사진 사건을 만들어 냈는지 알아보기"를 포함시켰다. 그의 방법은 잘 측정된 방사성 선원에서 나오는 방사선에 에멀전을 노출시키는 것이었는데, 이 에멀전은 𝛂-입자의 방출률이 알려져 있었다. 그는 판을 가로지를 것으로 예상되는 𝛂 입자의 수를 계산하기 위해 그 지식과 판과 소스의 상대적 근접성을 이용했다. 그는 피폭에서 '알파 이외의' 곡물을 추가로 생성하는 '배경 복사'를 주의 깊게 고려하여 이 숫자를 에멀전(eme)에서 세어 본 개발된 할로겐화 곡물의 수와 비교했다. 그는 1909년에 이 연구 프로젝트를 완성하여 "매우 미세한 은빛 할로겐 알갱이의 에멀전 필름을 준비하고, 고배율의 현미경을 사용함으로써 상당히 정확하게 𝛂-입자를 세는 데 사진 방법을 적용할 수 있다"^[8]는 것을 보여 주었다. 사진 에멀젼을 이용하여 개별 전하 입자의 관측을 달성한 것은 이번이 처음이었다.^[2] 그러나, 그것은 개별 입자 충돌의 검출이지, 입자의 연장된 궤도의 관측은 아니었다. 그 직후인 1911년 M. 레이냐눔은 에멀젼이 개발되었을 때 𝛂 입자의 궤적을 나타내는 은빛 할로겐 알갱이들이 한 줄로 늘어선 것을 보여주었는데, 이는 에멀젼에서 확장된 입자 궤도를 최초로 관찰한 것이다.^[9][2]

다음 단계는 당연히 이 기술을 1912년 빅토르 헤스가 새로 발견한 우주선을 포함한 다른 입자 유형의 탐지와 연구에 적용하는 것이었을 것이다. 그러나 1914년 제1차 세계대전이 발발하면서 진전은 중단되었다. 다른 종류의 입자-양자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-입자-검출(이온화 헬륨이온화)에 의해 약 4분의 1/4/4/을 검출하기 위해 1920년대에 여러 물리적 연구소에서 개선된 중요한 문제가 다시 제기되었다..^[2]

특히 오스트리아 빈 라듐연구소에서 일하고 있는 마리에타 블라우는 1923년 당시 "H-ray"라고 알려진 양성자를 검출하기 위한 대체 형태의 사진 에멀전 판을 조사하기 시작했다. 그녀는 수소 함량이 높은 파라핀 왁스를 조사하기 위해 𝛂입자의 방사성 선원을 이용했다. 𝛂 입자는 수소 핵(프로톤)과 충돌하여 왁스 밖으로 양성자를 밀어내고 사진 에멀전 속으로 들어가 은 할로겐 알갱이의 가시적인 궤적을 생성할 수 있다. 여러 번의 시험 후에, 다른 플레이트와 원하지 않는 방사선의 유전을 조심스럽게 차폐하는 것을 사용하여, 그녀는 핵 에멀젼에서 처음으로 양성자 궤도를 관찰하는 데 성공했다.^[10] 측면 사고의 기발한 예에 의해, 그녀는 핵 에멀전에서 중성자를 최초로 '관찰'하는 비슷한 방법을 적용했다. 전기적으로 중성자가 중성자가 되는 것은 물론 사진 에멀전에서는 직접 검출할 수 없지만 에멀전에서는 양성자와 부딪히면 그 반동 양성자를 검출할 수 있다.^[11] 그녀는 특정 핵반응 과정에서 발생하는 중성자의 에너지 스펙트럼을 결정하기 위해 이 방법을 사용했다. 그녀는 선로를 따라 노출된 곡물 밀도를 측정하여 양성자 에너지를 결정하는 방법을 개발했다(고속 최소 이온화 입자는 느린 입자보다 적은 수의 곡물과 상호작용한다). 빠른 양성자의 긴 트랙을 보다 정확하게 기록하기 위해 그녀는 영국 영화 제작사 일포드(현 일포드 사진)에 의뢰하여 상업용 판에 에멀전을 두껍게 만들었고, 알파 입자와 빠른 양성자의 가시성을 개선하기 위해 곡물 크기, 잠재 이미지 보존, 개발 조건 등 다른 에멀전 매개변수를 실험했다. 1937년,^[12] 마리에타 블라우와 그녀의 전 제자인 헤르타 왓바허는 인스브루크 상공의 하펠카르스피체에서 2300m 높이에 우주 방사선에 노출된 핵 유화에서 발광하여 핵 분해 별(제르트뤼메룽스테른)을 발견했다.^[13] 이 발견은 핵 및 우주선 물리학의 세계에 센세이션을 일으켰고, 이로 인해 핵 에멀전 방법이 더 많은 청중들의 주목을 받게 되었다. 그러나 제2차 세계대전으로 이어진 오스트리아와 독일의 정치불안의 발단은 마리에타 블라우에 대한 그 연구분야의 진보를 갑자기 중단시켰다.^[14][15]

1938년 영국에서 살기 위해 독일을 떠났던 독일 물리학자 월터 하이틀러는 브리스톨 대학에서 우주선 샤워기의 형성을 포함한 많은 이론적 주제에 대해 연구하고 있었다. 그는 당시 세실 파월에게 1937년 두 명의 비엔나 물리학자인 블라우와 왓바허가 오스트리아 알프스에서 사진 유전을 노출시켰고, 우주 광선에 의해 야기된 '별'이나 핵 분해뿐만 아니라 저에너지 양성자의 궤적을 보았다고 언급했다.^[16] 이 때문에 파웰은 흥미를 끌었는데,^[17] 파월은 하이틀러가 두께 70미크론(micon)의 라포드 반 톤 유화(lford half tone emulsion) 한 묶음을 가지고 스위스로 여행하여 3500m의 융프라우조크에 노출시키도록 설득했다. 1939년 8월 '네이처'에 보낸 편지에서 그들은 블라우와 왓바허의 관측을 확인할 수 있었다.^[18][19]

이러한 발전에 따라, 제2차 세계 대전 이후, 파웰과 브리스톨 대학의 그의 연구 그룹은 일포드(현재의 일포드 포토)와 협력하여 우주선 입자 탐지를 위한 유화를 더욱 최적화했다. 일포드는 단위 부피당 정상량의 8배에 달하는 실버브로미드가 함유된 농축 '핵 연구' 에멀전(외부 링크 '일포드에 의한 핵 유화' 참조)을 생산했다. 파웰의 그룹은 먼저 캠브리지 대학 바퀴벌레-월튼 액셀러레이터를 사용하여 새로운 '핵 연구' 유전을 교정했는데, 이 유전은 새로운 유전의 충전된 입자에 필요한 범위 에너지 관계를 측정하기 위한 탐사로 인공 분해 입자를 제공했다.^[20] 그들은 그 후 20세기 물리학에서 가장 중요한 발견 중 두 가지를 하기 위해 이 유화들을 사용했다. 먼저 1947년 세실 파월, 세사르 라테스, 주세페 오치알리니, 휴 뮤어헤드(브리스톨 대학)는 피레네에 있는 피크뒤 미디 천문대에서 우주 광선에 노출되어 아이린 로버츠와 마리에타 쿠르즈가 스캔한 판을 사용하여 충전된 피메손을 발견했다.^[3] 둘째, 2년 후인 1949년 스위스 융프라우조흐의 스핑크스 천문대에서 노출된 판들을 분석하면서, 브리스톨의 세실 파웰 그룹의 연구생인 로즈마리 브라운이 처음으로 K-meson과 그것의 '이상한' 해독에 대한 정확한 관찰을 했다.^[5] Tau-theta 퍼즐에서 '타우 메손'으로 알려진 이 K-meson 붕괴 모드의 정확한 측정은 '이상성'이라는 양자 개념을 도입하고 약한 상호작용에서 패리티 위반을 발견하게 했다. 로즈마리 브라운은 놀라운 4트랙 에멀전 이미지를 자신의 "K트랙"인 세 개의 충전된 피온으로 부패하는 '타우'라고 불렀고,^[2] 따라서 새롭게 발견된 '이상한' K-meson을 효과적으로 명명했다. 세실 파월은 1950년 노벨 물리학상을 받았다. 그는 "핵 과정을 연구하는 사진 방법을 개발하고 이 방법으로 만들어진 중간자에 관한 발견"을 한 공로로.

새로운 입자 검출기와 입자 가속기 기술의 등장은 도입부에서 지적한 단점과 맞물려 20세기 말엽 입자물리학에서 핵 에멀전판의 사용이 감소하는 결과를 가져왔다.^[2] 그러나 드물게 이루어지는 상호작용과 붕괴 과정의 연구에서는 이 방법을 계속 사용하고 있었다.^{[21][22][23][24][25]} 보다 최근에는 '표준모델을 벗어난 물리학'을 검색하는데, 특히 정상물질과의 극히 드문 상호작용에서 중성미자와 암흑물질에 대한 연구가 그 기법의 부활을 가져왔다. OPERA 실험,^[26] 이탈리아 그란 사소 실험실의 중성미자 진동 연구, 그리고 어두운 광자를 포함한 새롭고 가볍고 약하게 상호작용하는 입자를 찾는 CERN LHC의 FASER 실험 등이 그 예다.^[27]

기타 응용 프로그램

전기충전된 입자의 위치, 방향, 에너지를 정확하게 기록하는 핵 에멀전의 능력이 응용을 발견한 과학 기술 분야가 다수 존재한다. 대부분의 경우 이러한 애플리케이션은 자동 방사선 촬영에 의한 이식된 방사선 표지의 추적을 포함한다. 예는 다음과 같다.

의학연구

생물학 연구

메탈러지

반응 표면 화학

참조

• J. Thewlis (편집), Pergamon Press, 1962년 옥스포드 주, Pergamon Press의 백과사전 물리 사전

외부 링크

• 일포드의 핵 유화