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반물질

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1932년 8월 2일, 최초로 관측된 양전자를 안개 상자에서 촬영한 사진.

반물질(反物質 영어: antimatter)은 보통 물질의 해당 입자의 반입자 (또는 "짝")로 구성된 물질로 정의되며, 전하와 패리티가 역전되거나 시간상 거꾸로 가는 물질로 생각될 수 있다(CPT 대칭 참조). 반물질은 우주선 충돌 및 일부 유형의 방사성 붕괴와 같은 자연 과정에서 발생하지만, 이 중 극히 일부만이 실험에서 반원자를 형성하도록 결합되었다. 극소량의 반입자는 입자 가속기에서 생성될 수 있지만, 총 인공 생산량은 불과 몇 나노그램에 불과하다.[1] 생산 및 취급의 극심한 비용과 어려움 때문에 거시적 양의 반물질은 아직까지 조립된 적이 없다. 그럼에도 불구하고 반물질은 양전자 방출 단층촬영, 방사선 치료,[2] 및 산업용 이미징과 같은 베타 붕괴 관련 응용 분야의 필수 구성 요소이다.

이론적으로 입자와 그 반입자(예: 양성자와 반양성자)는 동일한 질량을 가지지만, 반대 전하 및 양자수에서 다른 차이를 보인다.

어떤 입자와 그 반입자 짝 사이의 충돌은 서로의 쌍소멸로 이어지며, 다양한 비율의 강렬한 광자 (감마선), 중성미자, 그리고 때로는 질량이 더 작은 입자–반입자 쌍을 생성한다. 쌍소멸의 총 에너지 대부분은 이온화 방사선 형태로 방출된다. 주변 물질이 존재하면 이 방사선의 에너지 함량은 흡수되어 열이나 빛과 같은 다른 형태의 에너지로 전환된다. 방출되는 에너지의 양은 일반적으로 질량-에너지 등가 방정식 E=mc2에 따라 충돌하는 물질과 반물질의 총 질량에 비례한다.[3]

반입자들은 서로 결합하여 반물질을 형성하며, 보통 입자들이 결합하여 일반 물질을 형성하는 것과 같다. 예를 들어, 양전자 (전자의 반입자)와 반양성자 (양성자의 반입자)는 반수소 원자를 형성할 수 있다. 반헬륨의 원자핵은 비록 어렵지만 인공적으로 생성되었으며, 현재까지 관측된 가장 복잡한 반핵이다.[4] 물리적 원리는 복잡한 반물질 원자핵이 가능하며, 알려진 화학 원소에 해당하는 반원자도 가능함을 시사한다.

관측 가능한 우주는 물질과 반물질의 동등한 혼합이 아니라 거의 전적으로 보통 물질로 구성되어 있다는 강력한 증거가 있다.[5] 가시 우주에서 물질과 반물질의 이러한 비대칭은 물리학의 미해결 문제 중 하나이다.[6] 물질과 반물질 입자 사이의 이러한 불평등이 발생했다고 가설된 과정은 중입자 생성이라고 불린다.

정의

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반물질 입자는 물질 입자와 동일한 전하를 가지지만 부호는 반대이다. 즉, 반양성자는 음전하를 띠고 반전자는 (양전자) 양전하를 띤다. 중성자는 순전하를 띠지 않지만, 그 구성 쿼크는 전하를 띤다. 양성자와 중성자는 중입자수가 +1인 반면, 반양성자와 반중성자는 중입자수가 –1이다. 마찬가지로 전자는 경입자수가 +1인 반면, 양전자는 –1이다. 입자와 그에 해당하는 반입자가 충돌하면 둘 다 에너지로 전환된다.[7][8][9]

"반물질로 만들어진" 또는 "반물질과 관련된"을 뜻하는 프랑스어 용어 contraterrene는 약어 "C.T."와 과학 소설 용어 seetee로 이어졌는데,[10] 이는 『시티 쉽(Seetee Ship)』과 같은 소설에서 사용되었다.[11]

개념적 역사

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음의 물질에 대한 아이디어는 현재 폐기된 과거의 물질 이론에 등장한다. 한때 인기가 있었던 중력의 소용돌이 이론을 사용하여, 윌리엄 힉스(William Hicks)는 1880년대에 음의 중력을 가진 물질의 가능성을 논의했다. 1880년대와 1890년대 사이에 칼 피어슨은 에테르 흐름의 "뿜어져 나오는 것"(squirts)[12]과 흡입구(sinks)의 존재를 제안했다. 뿜어져 나오는 것은 일반 물질을 나타냈고, 흡입구는 음의 물질을 나타냈다. 피어슨의 이론은 에테르가 흐르고 흘러 들어갈 네 번째 차원을 필요로 했다.[13]

반물질이라는 용어는 1898년 아서 슈스터가 Nature에 보낸 두 통의 다소 기발한 편지에서 처음 사용되었으며,[14] 그가 이 용어를 만들었다. 그는 반원자뿐만 아니라 전체 반물질 태양계를 가설하고, 물질과 반물질이 서로 쌍소멸할 가능성을 논의했다. 슈스터의 아이디어는 진지한 이론적 제안이 아니었고, 단지 추측에 불과했으며, 이전 아이디어와 마찬가지로 음의 중력을 가졌다는 점에서 현대의 반물질 개념과는 달랐다.[15]

현대 반물질 이론은 1928년 폴 디랙의 논문으로 시작되었다.[16] 디랙은 전자에 대한 상대론적 버전의 슈뢰딩거 파동 방정식이 반전자의 가능성을 예측한다는 것을 깨달았다. 디랙은 이러한 "반전자"의 존재에 대한 토대를 마련했지만, 처음에는 자신의 방정식에 담긴 함의를 파악하지 못했다. 그는 그 통찰력에 대한 공로를 J. 로버트 오펜하이머에게 기꺼이 돌렸는데, 그의 획기적인 논문 "전자와 양성자 이론에 관하여"(1930년 2월 14일)는 디랙의 방정식에 기반하여 양전하를 띤 전자(양전자)의 존재를 주장했고, 이는 전자의 대응물로서 전자와 동일한 질량을 가져야 했다. 이는 디랙이 실제로 제안했던 양성자가 될 수 없음을 의미했다. 디랙은 1931년 논문에서 양전자를 "반전자"라고 언급하며 반물질의 존재를 추가로 가정했다.[17][18] 이것들은 1932년 칼 데이비드 앤더슨에 의해 발견되었고 "양전자"라는 이름이 붙여졌다. 비록 디랙 자신은 반물질이라는 용어를 사용하지 않았지만, 그 사용은 반전자, 반양성자 등에서 자연스럽게 파생된다.[19]

파인만-슈테켈베르크 해석에 따르면 반입자는 일반 입자와 동일한 운동 방정식을 따르지만, 전하, 패리티 및 시간이 역전된다. 이는 시간 역전된 파인만 도형을 사용하여 반입자를 분석할 수 있게 한다.[20]

표기법

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반입자를 나타내는 한 가지 방법은 입자 기호 위에 막대를 추가하는 것이다. 예를 들어, 양성자와 반양성자는 각각
p
과
p
으로 표기된다. 이와 동일한 규칙은 입자를 구성 요소로 언급할 때도 적용된다. 양성자는
u
u
d
 쿼크로 구성되어 있으므로, 반양성자는 반드시
u
u
d
 반쿼크로 형성되어야 한다. 다른 관례는 입자를 양전하와 음전하로 구분하는 것이다. 따라서 전자와 양전자는 단순히
e−
와
e+
로 각각 표기된다. 그러나 혼동을 방지하기 위해 두 관례는 절대 혼합되지 않는다.

특성

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물질과 반물질의 중력적 행동에는 차이가 없다. 다시 말해, 반물질은 위로 떨어지지 않고 아래로 떨어진다. 이는 초전도 전자기 코일로 둘러싸인 수직 축에 갇힌 수천 개의 반수소 원자로 이루어진 얇고 매우 차가운 기체를 통해 확인되었다. 이 코일은 반물질이 물질과 접촉하여 쌍소멸하는 것을 막기 위해 자기 병을 만들 수 있다. 연구원들은 자기장을 점차 약화시킨 후, 반원자들이 탈출하여 쌍소멸할 때 두 개의 센서를 사용하여 감지했다. 대부분의 반원자는 아래쪽 개구부로 나왔고, 위쪽으로는 4분의 1만이 나왔다.[21]

반입자들이 모든 전하(예: 전기 및 중입자 전하)에서 다른 부호를 가진다는 사실 외에는 물질과 반물질이 정확히 동일한 특성을 가진다고 믿을 만한 설득력 있는 이론적 이유가 있다.[22][23] 이는 입자와 그에 해당하는 반입자가 동일한 질량과 붕괴 수명(불안정한 경우)을 가져야 함을 의미한다. 또한, 예를 들어 반물질로 이루어진 별("반성")은 일반 별과 똑같이 빛날 것임을 시사한다.[24] 이 아이디어는 2016년 ALPHA 실험에 의해 실험적으로 테스트되었는데, 이 실험은 반수소의 두 가지 가장 낮은 에너지 상태 사이의 전이를 측정했다. 수소와 동일한 결과는 반물질에 대한 양자 역학의 유효성을 확인시켜 주었다.[25][26]

기원과 비대칭성

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과학자들이 페르미 감마선 우주망원경의 감마선 검출기를 사용하여 뇌우에서 반물질 폭발을 밝혀내는 과정을 보여주는 비디오
매일 약 500개의 지상 감마선 섬광이 발생한다. 붉은 점은 2010년 페르미 감마선 우주망원경이 포착한 것을 보여준다. 파란색 영역은 지상 감마선 섬광이 발생할 수 있는 잠재적 번개를 나타낸다.

지구에서 관측 가능한 대부분의 것들은 반물질보다는 물질로 이루어진 것처럼 보인다. 만약 반물질이 지배적인 우주 영역이 존재했다면, 물질과 반물질 영역 사이의 경계에서 쌍소멸 반응으로 생성되는 감마선이 탐지 가능했을 것이다.[27]

반입자는 고에너지 입자 충돌이 일어나는 우주 어디에서나 생성된다. 지구의 대기 (또는 태양계의 다른 물질)에 부딪히는 고에너지 우주선은 결과적인 입자 제트에서 미량의 반입자를 생성하며, 이들은 주변 물질과 접촉하여 즉시 쌍소멸한다. 이들은 마찬가지로 우리 은하의 은하중심 및 기타 은하와 같은 지역에서도 생성될 수 있는데, 이곳에서는 매우 활발한 천체 현상 (주로 상대론적 제트와 성간매질의 상호 작용)이 발생한다. 이로 인해 생성되는 반물질의 존재는 양전자가 주변 물질과 쌍소멸할 때마다 생성되는 두 개의 감마선으로 탐지할 수 있다. 감마선의 진동수와 파장은 각각 511 keV의 에너지를 운반함을 나타낸다 (즉, 전자의 정지 질량에 c2를 곱한 값).

유럽 우주국의 INTEGRAL 위성 관측 결과는 은하중심을 둘러싼 거대한 반물질 구름의 기원을 설명할 수 있다. 관측에 따르면 이 구름은 비대칭이며, 은하중심 한쪽에 주로 분포하는 X선 쌍성 (블랙홀 또는 중성자별을 포함하는 쌍성계)의 패턴과 일치한다. 이 메커니즘은 완전히 이해되지 않았지만, 일반 물질이 항성 잔해로 떨어지면서 운동 에너지를 얻을 때 전자-양전자 쌍 생성과 관련이 있을 가능성이 높다.[28][29]

반물질은 우주의 태초 시대에 우주 급팽창으로 인해 멀리 떨어진 은하에 비교적 많은 양으로 존재할 수 있다. 만약 반물질 은하가 존재한다면, 일반 물질 은하와 동일한 화학적 특성 및 흡수 및 방출 스펙트럼을 가질 것으로 예상되며, 그들의 천체는 관측적으로 동일하여 구별하기 어렵다.[30] NASA는 초은하단 충돌에서 쌍소멸 현상의 X선 및 감마선 신호를 찾아 이러한 은하가 존재하는지 여부를 확인하려고 노력하고 있다.[31]

2017년 10월, CERN의 BASE 실험에 참여하는 과학자들은 반양성자 자기 모멘트를 15억 분의 1의 정밀도로 측정했다고 보고했다.[32][33] 이 측정치는 양성자 자기 모멘트의 가장 정밀한 측정치(2014년에 BASE에서도 수행됨)와 일치하며, CPT 대칭 가설을 지지한다. 이 측정은 반물질의 특성이 물질의 동일한 특성보다 더 정밀하게 알려진 첫 사례이다.

반물질 양자 간섭계는 2018년 코모에 있는 라파엘 페라구트(Rafael Ferragut)의 양전자 연구실(L-NESS)에서 마르코 잠마르키(Marco Giammarchi)가 이끄는 그룹에 의해 처음으로 시연되었다.[34]

자연적 생성

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양전자는 자연적으로 발생하는 방사성 동위원소(예: 칼륨-40)의 β+ 붕괴와 방사성 핵에서 방출되는 감마 양자와 물질의 상호작용에서 자연적으로 생성된다. 반중성미자는 자연 방사능(β− 붕괴)에 의해 생성되는 또 다른 종류의 반입자이다. 다양한 종류의 반입자 또한 우주선에 의해 생성되며 그 안에 포함되어 있다. 2011년 1월, 미국 천문학회의 연구는 뇌우 구름 위에서 발생하는 반물질(양전자)을 발견했다. 양전자는 구름 내의 강한 전기장에 의해 가속된 전자가 생성하는 지상 감마선 섬광에서 생성된다.[35][36] 반양성자는 또한 PAMELA 모듈에 의해 지구 주변의 밴 앨런대에 존재한다는 것이 밝혀졌으며,[37][38] 비슷한 반양성자 벨트가 목성, 토성, 해왕성, 천왕성 주변에도 존재할 수 있다.[39][40]

반입자들은 또한 충분히 높은 온도(평균 입자 에너지가 쌍생성 임계값보다 큰)를 가진 모든 환경에서 생성된다. 우주가 극도로 뜨겁고 밀도가 높았던 중입자 생성 기간 동안 물질과 반물질이 지속적으로 생성되고 소멸되었다고 가설된다. 남아있는 물질의 존재와 탐지 가능한 남아있는 반물질의 부재는[41] 중입자 비대칭이라고 불린다. 중입자 생성 동안 이러한 비대칭을 만들어낸 정확한 메커니즘은 아직 풀리지 않은 문제로 남아있다. 이 비대칭을 위한 필요한 조건 중 하나는 CP 대칭의 위반이며, 이는 약한 상호작용에서 실험적으로 관측되었다.

최근 관측에 따르면 블랙홀과 중성자별은 제트를 통해 엄청난 양의 양전자-전자 플라스마를 생성한다.[42][43]

우주선에서 관측

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위성 실험을 통해 1차 우주선에서 양전자와 소량의 반양성자가 발견되었으며, 이는 1차 우주선 입자의 1% 미만이다. 이 반물질은 모두 빅뱅에서 생성된 것이 아니라 고에너지에서 순환 과정에 의해 생성된 것으로 추정된다. 예를 들어, 전자-양전자 쌍은 펄사에서 형성될 수 있는데, 이는 자기화된 중성자별 회전 주기가 별 표면에서 전자-양전자 쌍을 찢어내기 때문이다. 이때 반물질은 선조 초신성 방출물에 충돌하는 바람을 형성한다. 이러한 풍화 작용은 "별에서 발사된 차갑고 자기화된 상대론적 바람이 비상대론적으로 팽창하는 방출물에 충돌할 때 충격파 시스템이 형성된다. 외부 충격파는 방출물 내에서 전파되고, 역충격파는 별을 향해 다시 전파된다"고 설명된다.[44] 외부 충격파에서 물질이 이전 방출되고 역충격파에서 반물질이 나중에 생성되는 것은 우주 기상 주기의 단계이다.

현재 국제우주정거장에 탑재된 알파 자기 분광기 (AMS-02)의 예비 결과에 따르면 우주선 속 양전자는 방향성이 없으며, 10 GeV에서 250 GeV에 이르는 에너지를 가지고 도달한다. 2014년 9월, 거의 두 배 많은 데이터를 포함한 새로운 결과가 CERN에서 발표되었고 Physical Review Letters에 게재되었다.[45][46] 500 GeV까지의 양전자 비율에 대한 새로운 측정 결과, 양전자 비율은 총 전자+양전자 사건의 약 16%로 최대치를 기록하며 275 ± 32 GeV 에너지 부근에서 정점을 찍는 것으로 나타났다. 500 GeV보다 높은 에너지에서는 양전자 대 전자의 비율이 다시 감소하기 시작한다. 양전자의 절대 선속도 500 GeV 이전에 감소하기 시작하지만, 전자 에너지가 약 10 GeV에서 정점을 찍는 것보다 훨씬 높은 에너지에서 정점을 찍는다.[47] 이 결과는 거대한 암흑물질 입자의 쌍소멸 사건에서 양전자가 생성되었기 때문이라고 해석되었다.[48]

우주선 반양성자 또한 일반 물질 대응물(양성자)보다 훨씬 높은 에너지를 가진다. 이들은 2 GeV의 특성 에너지 최댓값으로 지구에 도달하는데, 이는 평균적으로 에너지의 6분의 1만을 가진 우주선 양성자와는 근본적으로 다른 과정에서 생성되었음을 나타낸다.[49]

우주선에서 반헬륨 핵(즉, 반알파 입자)과 같은 더 큰 반물질 핵에 대한 지속적인 탐색이 진행 중이다. 자연 반헬륨의 탐지는 반성(反星)과 같은 대규모 반물질 구조의 존재를 암시할 수 있다. AMS-02의 시제품인 AMS-01은 1998년 6월 STS-91에 탑재되어 우주로 발사되었다. AMS-01은 반헬륨을 전혀 탐지하지 못함으로써, 반헬륨 대 헬륨 선속 비율에 대해 1.1×10−6의 상한선을 설정했다.[50] AMS-02는 2016년 12월에 수십억 개의 헬륨 핵 가운데 반헬륨 핵과 일치하는 몇 가지 신호를 발견했다고 밝혔다. 이 결과는 아직 검증되지 않았으며, 2017년 기준 현재 연구팀은 오염 가능성을 배제하기 위해 노력하고 있다.[51]

인공 생성

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양전자

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2008년 11월 로렌스 리버모어 국립연구소가 대량의 양전자를 생성했다고 보도되었다.[52] 레이저는 금 표적의 원자핵을 통해 전자를 구동하여 입사하는 전자가 에너지 양자를 방출하게 했고, 이 양자는 물질과 반물질로 붕괴했다. 양전자는 이전 실험에서보다 더 높은 비율과 더 큰 밀도로 실험실에서 검출되었다. 이전 실험들은 레이저와 종이처럼 얇은 표적을 사용하여 적은 양의 양전자를 만들었지만, 새로운 시뮬레이션은 짧은 초고강도 레이저 펄스와 밀리미터 두께의 금이 훨씬 더 효과적인 소스임을 보여주었다.[53]

2023년, CERN의 하이 라드마트 (High-Radiation to Materials, HRMT)[54] 시설에서 옥스퍼드 대학교 연구원들이 이끄는 협력 연구팀이 최초의 전자-양전자 빔-플라스마 생성을 보고했다.[55] 이 빔은 실험실 환경에서 지금까지 달성된 양전자 수율 중 가장 높은 수치를 기록했다. 이 실험은 초양성자 싱크로트론에서 개의 양성자를 가진 440 GeV 양성자 빔을 사용하여 탄소와 탄탈럼으로 구성된 입자 변환기를 조사했다. 이로 인해 입자 소나기 과정을 통해 총 개의 전자-양전자 쌍이 생성되었다. 생성된 쌍 빔은 여러 디바이 구를 채울 정도의 부피를 가지며, 따라서 집단적인 플라스마 진동을 유지할 수 있다.[55]

반양성자, 반중성자, 및 반핵

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반양성자의 존재는 1955년 캘리포니아 대학교 버클리의 물리학자 에밀리오 지노 세그레와 오언 체임벌린에 의해 실험적으로 확인되었으며, 이들은 1959년 노벨 물리학상을 수상했다.[56] 반양성자는 두 개의 위 반쿼크와 하나의 아래 반쿼크로 구성된다 (
u

u

d
). 측정된 반양성자의 모든 특성은 반양성자가 양성자와 반대되는 전하와 자기 모멘트를 가진다는 점을 제외하고는 양성자의 해당 특성과 일치한다. 그 직후인 1956년, 로런스 버클리 국립 연구소의 베바트론에서 브루스 코크(Bruce Cork)와 동료들에 의해 양성자-양성자 충돌에서 반중성자가 발견되었다.[57]

반중입자 외에도 여러 개의 반양성자와 반중성자로 구성된 반핵이 생성되었다. 이들은 일반적으로 반물질 원자(전자를 대신하는 결합된 양전자를 가진)를 형성하기에는 너무 높은 에너지에서 생성된다. 1965년, 안토니노 지키치가 이끄는 연구팀은 CERN의 양성자 싱크로트론에서 반중수소 핵 생성을 보고했다.[58] 거의 동시에, 브룩헤이븐 국립연구소의 교류 구배 싱크로트론에서 미국 물리학자 그룹에 의해 반중수소 핵 관측이 보고되었다.[59]

반수소 원자

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1995년, CERN은 PS210 실험 동안 SLAC/페르미랩 개념을 구현하여 9개의 뜨거운 반수소 원자를 성공적으로 생성했다고 발표했다. 이 실험은 저에너지 반양성자 링(LEAR)을 사용하여 수행되었으며, 발터 욀러트(Walter Oelert)와 마리오 마크리(Mario Macri)가 이끌었다.[60] 페르미랩은 곧 CERN의 발견을 확인하고 시설에서 약 100개의 반수소 원자를 생산했다. PS210 및 이후 실험(CERN 및 페르미랩 모두)에서 생성된 반수소 원자는 극도로 활발하여 연구에 적합하지 않았다. 이 난관을 해결하고 반수소를 더 잘 이해하기 위해 1990년대 후반에 ATHENA와 ATRAP이라는 두 협력체가 결성되었다.

1999년, CERN은 반양성자를 3.5 GeV에서 5.3 MeV로 감속시킬 수 있는 장치인 반양성자 감속기를 가동했는데, 이는 여전히 연구에 효과적인 반수소를 생산하기에는 너무 "뜨거웠지만" 엄청난 진전이었다. 2002년 후반에 ATHENA 프로젝트는 세계 최초의 "냉각된" 반수소를 생성했다고 발표했다.[61] ATRAP 프로젝트도 곧 비슷한 결과를 발표했다.[62] 이 실험에서 사용된 반양성자는 반양성자 감속기로 감속시키고, 얇은 포일 시트를 통과시킨 후, 마지막으로 페닝-말름베르그 트랩에 가두어 냉각되었다.[63] 전반적인 냉각 과정은 가능하지만 효율성이 매우 낮다. 약 2천5백만 개의 반양성자가 반양성자 감속기를 떠나고, 약 2만5천 개만이 페닝-말름베르그 트랩에 도달하는데, 이는 원래 양의 약 ⁠1/1000⁠ 또는 0.1%에 해당한다.

반양성자들은 처음 포획될 때 여전히 뜨겁다. 이를 더 냉각시키기 위해 전자 플라스마와 혼합된다. 이 플라스마 내의 전자는 사이클로트론 복사를 통해 냉각되고, 그 후 쿨롱 충돌을 통해 반양성자를 연대적으로 냉각시킨다. 최종적으로, 짧은 시간 동안 전기장을 인가하여 전자를 제거하면, 반양성자는 100 meV 미만의 에너지를 가진다.[64] 반양성자가 첫 번째 트랩에서 냉각되는 동안, 작은 양전자 구름이 수르코 스타일 양전자 축적기에서 방사성 나트륨으로부터 포획된다.[65] 이 구름은 그 후 반양성자 근처의 두 번째 트랩에 다시 포획된다. 트랩 전극을 조작하여 반양성자를 양전자 플라스마로 기울이면, 일부 양전자가 반양성자와 결합하여 반수소를 형성한다. 이 중성 반수소는 전하를 띤 양전자와 반양성자를 가두는 데 사용되는 전기장과 자기장의 영향을 받지 않으며, 몇 마이크로초 내에 반수소는 트랩 벽에 부딪혀 소멸한다. 이러한 방식으로 수억 개의 반수소 원자가 만들어졌다.

2005년, ATHENA는 해체되었고 일부 전직 회원(및 기타)은 ALPHA 협력을 결성했으며, 이 또한 CERN에 기반을 두고 있다. 이 노력의 궁극적인 목표는 수소 스펙트럼 계열의 수소와 반수소의 원자 스펙트럼 비교를 통해 CPT 대칭을 테스트하는 것이다.[66]

반수소의 특성에 대한 고정밀 테스트 중 대부분은 반수소가 갇혀 있는 경우에만 수행될 수 있다. 즉, 비교적 오랜 시간 동안 제자리에 유지되어야 한다. 반수소 원자는 전기적으로 중성이지만, 구성 입자의 스핀은 자기 모멘트를 생성한다. 이 자기 모멘트는 불균일한 자기장과 상호작용할 수 있으며, 일부 반수소 원자는 자기 최소점으로 끌릴 수 있다. 이러한 최소점은 거울 및 다극장 조합으로 생성될 수 있다.[67] 반수소는 이러한 자기 최소점(minimum-B) 트랩에 갇힐 수 있다. 2010년 11월, ALPHA 협력팀은 38개의 반수소 원자를 약 6분의 1초 동안 갇혔다고 발표했다.[68][69] 이는 중성 반물질이 처음으로 갇힌 사례였다.

2011년 4월 26일, ALPHA는 309개의 반수소 원자를 포획했으며, 일부는 최대 1,000초(약 17분) 동안 유지되었다고 발표했다. 이는 이전에 중성 반물질이 포획된 시간보다 훨씬 긴 기록이었다.[70] ALPHA는 이 포획된 원자들을 사용하여 반수소의 스펙트럼 특성 연구를 시작했다.[71]

2016년, ELENA(extra low energy antiproton decelerator)라는 새로운 반양성자 감속기 및 냉각기가 건설되었다. 이 장치는 반양성자 감속기에서 반양성자를 받아 90 keV로 냉각시키는데, 이는 연구에 충분히 "차가운" 온도이다. 이 기계는 높은 에너지를 사용하고 챔버 내에서 입자를 가속함으로써 작동한다. 초당 100개 이상의 반양성자를 포획할 수 있는데, 이는 엄청난 발전이지만, 1나노그램의 반물질을 만드는 데는 여전히 수천 년이 걸릴 것이다.

반물질 대규모 생산의 가장 큰 제한 요인은 반양성자의 가용성이다. CERN이 발표한 최근 데이터에 따르면, 그들의 시설은 완전히 가동될 때 분당 천만 개의 반양성자를 생산할 수 있다고 한다.[72] 반양성자를 반수소로 100% 전환한다고 가정하면, 1그램 또는 1 몰의 반수소(대략 반수소 원자 6.02×1023개)를 생산하는 데 1천억 년이 걸릴 것이다. 그러나 CERN은 페르미랩이 생산하는 반물질의 1%만을 생산하며, 둘 다 반물질을 생산하도록 설계된 것이 아니다. 제럴드 잭슨(Gerald Jackson)에 따르면, 오늘날 이미 사용 중인 기술을 사용하면 시설당 연간 6억 7천만 달러의 비용으로 연간 20그램의 반물질 입자를 생산하고 포획할 수 있다.[73][74]

반헬륨

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반헬륨-3 핵(3
He
, 즉 두 개의 반양성자와 하나의 반중성자)은 1970년대에 Y. 프로코슈킨(Prockoshkin) 그룹(소련 모스크바 근처 프로트비노의 고에너지물리학연구소)에 의해 양성자-핵 충돌 실험에서 처음 관측되었으며,[75] 이후 핵-핵 충돌 실험에서 생성되었다.[76] 핵-핵 충돌은 이러한 반응에서 생성된 반양성자와 반중성자의 합착을 통해 반핵을 생성한다. 2011년, STAR 검출기는 이러한 충돌에서 인공적으로 생성된 반헬륨-4 핵(반알파 입자)(4
He
)을 관측했다고 보고했다.[77]

국제우주정거장의 알파 자기 분광기는 2021년 현재 반헬륨-3 검출을 시사하는 것으로 보이는 8개의 사건을 기록했다.[78][79]

보존

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반물질은 일반 물질로 만들어진 용기에 저장할 수 없다. 반물질은 닿는 모든 물질과 반응하여 자신과 동일한 양의 용기를 소멸시키기 때문이다. 하전 입자 형태의 반물질은 페닝 트랩이라는 장치에서 전기장과 자기장의 조합으로 보존될 수 있다. 그러나 이 장치는 전하를 띠지 않는 입자로 구성된 반물질을 보존할 수 없으며, 이를 위해서는 원자 트랩이 사용된다. 특히, 이러한 트랩은 갇힌 입자의 쌍극자 모멘트(전기 쌍극자 모멘트 또는 자기 모멘트)를 사용할 수 있다. 높은 진공 상태에서 물질 또는 반물질 입자는 약간 비공명적인 레이저 복사를 사용하여 자기광학 트랩 또는 자기 트랩으로 포획 및 냉각될 수 있다. 작은 입자들은 고도로 집중된 레이저 빔을 사용하는 광 핀셋으로도 매달아 놓을 수 있다.[80]

2011년, CERN 과학자들은 반수소를 약 17분 동안 보존할 수 있었다.[81] 반입자 저장 기록은 현재 CERN의 TRAP 실험이 보유하고 있는데, 반양성자가 페닝 트랩에 405일 동안 보관되었다.[82] 2018년에는 10억 개의 반양성자를 휴대용 장치에 담아 다른 실험실로 옮겨 추가 실험을 할 수 있을 만큼 발전된 격리 기술을 개발하자는 제안이 있었다.[83]

비용

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과학자들은 반물질이 생산 비용이 가장 많이 드는 물질이라고 주장한다.[84] 2006년 제럴드 스미스(Gerald Smith)는 2억 5천만 달러로 10밀리그램의 양전자를 생산할 수 있다고 추정했으며[85] (그램당 250억 달러에 해당), 1999년 NASA는 반수소 1그램당 62조 5천억 달러라는 수치를 제시했다.[84] 이는 생산이 어렵고(입자 가속기 반응에서 극히 적은 수의 반양성자만 생성됨) 입자 가속기의 다른 용도에 대한 수요가 더 높기 때문이다. CERN에 따르면, 약 10억 분의 1그램(지금까지 입자/반입자 충돌에 사용된 양)을 생산하는 데 수억 스위스 프랑이 들었다.[86] 이에 비해 최초의 핵무기를 생산한 맨해튼 계획의 비용은 2007년 인플레이션을 고려하여 230억 달러로 추정되었다.[87]

NASA 혁신 선행 개념이 지원하는 몇몇 연구는 밴 앨런대와 궁극적으로 목성과 같은 거대 가스 행성의 벨트에서 자연적으로 발생하는 반물질을 자기 포집기로 수집하는 것이 가능한지 탐구하고 있는데, 이상적으로는 그램당 더 낮은 비용으로 수집하는 것을 목표로 한다.[88]

용도

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의료

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PET/CT 시스템

물질-반물질 반응은 양전자 방출 단층촬영(PET)과 같은 의료 영상 분야에서 실용적인 응용을 가진다. 양의 베타 붕괴에서 핵종은 양전자 방출을 통해 과잉 양전하를 잃는다(동일한 사건에서 양성자는 중성자가 되고, 중성미자도 방출된다). 과잉 양전하를 가진 핵종은 사이클로트론에서 쉽게 만들어지며 의료용으로 널리 생성된다. 반양성자는 또한 실험실 실험에서 이온(양성자) 치료에 현재 사용되는 유사한 방법으로 특정 암을 치료할 잠재력을 가진 것으로 나타났다.[89]

연료

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격리되고 저장된 반물질은 반물질 촉매 핵펄스 추진 또는 다른 반물질 로켓의 일부로 행성 간 우주비행 또는 성간 이동을 위한 연료로 사용될 수 있다.[90] 반물질의 에너지 밀도는 기존 연료보다 높기 때문에 반물질 연료 우주선은 기존 우주선보다 높은 추력 대 중량비를 가질 것이다.

만약 물질-반물질 충돌이 오직 광자 방출만을 초래한다면, 입자들의 모든 정지 질량은 운동 에너지로 전환될 것이다. 단위 질량당 에너지(9×1016 J/kg)는 화학 에너지보다 약 10 자릿수 더 크고,[91] 오늘날 핵분열을 사용하여 해방될 수 있는 핵 잠재 에너지(핵분열 반응당 약 200 MeV[92] 또는 8×1013 J/kg)보다 약 3자릿수 더 크며, 핵융합에서 예상되는 최상의 결과(양성자-양성자 연쇄 반응에서 약 6.3×1014 J/kg)보다 약 2자릿수 더 크다. 반물질 1 kg이 물질 1 kg과 반응하면 (질량-에너지 등가 공식, E=mc2에 따라) 1.8×1017 J (180 페타줄)의 에너지를 생성하는데, 이는 역사상 가장 큰 수소폭탄인 27,000 kg 차르 봄바의 위력보다 약간 적은 약 43메가톤의 TNT와 맞먹는다.

이 모든 에너지는 쌍소멸 산물의 특성 때문에 어떤 현실적인 추진 기술로도 활용될 수 없다. 전자-양전자 반응은 감마선 광자를 생성하지만, 이들은 방향을 조절하고 추진력으로 사용하기 어렵다. 양성자와 반양성자 간의 반응에서 그들의 에너지는 주로 상대론적 중성 및 하전 파이온으로 전환된다. 중성 파이온은 거의 즉시(수명 85 아토초) 고에너지 광자로 붕괴하지만, 하전 파이온은 더 느리게(수명 26 나노초) 붕괴하며 자기적으로 편향되어 추력을 생성할 수 있다.

하전 파이온은 궁극적으로 중성미자 (하전 파이온 에너지의 약 22% 운반)와 불안정한 하전 뮤온 (하전 파이온 에너지의 약 78% 운반)의 조합으로 붕괴하며, 뮤온은 다시 전자, 양전자, 중성미자의 조합으로 붕괴한다(뮤온 붕괴 참조). 이 붕괴에서 나오는 중성미자는 뮤온 에너지의 약 2/3를 운반하므로, 원래 하전 파이온으로부터 어떤 경로를 통해서든 중성미자로 전환되는 총 에너지 비율은 약 0.22 + (2/3)⋅0.78 = 0.74가 된다.[93]

무기

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반물질은 핵무기의 방아쇠 메커니즘으로 고려되어 왔다.[94] 주요 장애물은 충분한 양의 반물질을 생산하는 것이 어렵다는 점이며, 이것이 실현 가능할 것이라는 증거는 없다.[95] 그럼에도 불구하고, 미국 공군은 냉전 시대에 반물질 물리학 연구에 자금을 지원했으며, 이를 단순히 방아쇠가 아닌 폭발물 자체로 무기에 사용할 가능성을 고려하기 시작했다.[96]

같이 보기

[편집]

각주

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