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반물질
반물질(反物質, antimatter)이란 보통의 물질을 구성하는 입자에 대해 반대되는 입자로 구성된 물질을 말한다. 즉, 양성자, 전자, 중성자 등이 보통의 물질을 구성하는 입자라면 그와 반대의 전하를 띤 반양성자, 양전자, 반중성자 등으로 구성되는 물질이다.
하지만 우리는 반물질을 볼 수 없다. 우리가 사는 세상은 모두 물질로 구성되어 있기 때문이다. 만약 입자와 반입자가 만나면 상호작용하여 감마선이나 중성미자로 변하므로 존재를 확인하기 어렵다.
반물질을 이용하면 핵폭탄보다 더 위협적인 무기를 만들 수 있다지만 현실적으로는 어렵다. 자연 상태로는 반물질이 존재하지 않기 때문이다. 인위적으로 반물질을 제조할 수 있지만 그 비용이 천문학적인 수준인 데다 물질과 쌍소멸하는 특성으로 인해 보관 및 관리도 매우 까다롭다.
하지만 의학 분야에서 반물질은 매우 유용하게 활용되고 있다. 뇌질환의 진단 등에 주로 사용되는 양전자방출 단층촬영장치(PET)가 바로 그것이다. 우리 체내의 양전자와 전자를 소멸시켜 유용한 3D 이미지를 만들어내는 PET는 인체의 생화학적 변화를 영상화할 수 있어 혈류 및 산소 사용과 같은 중요한 기능을 측정할 수 있다.
개요[편집]
반물질은 반입자의 개념을 물질로 확대시킨 것이다. 물질이 입자로 이루어져 있듯이 반물질은 반입자로 구성되어 있다.
특수 상대성 이론과 양자 역학을 접목시킨 폴 디랙의 이론에 따르면, 우주를 이루고 있는 기본 물질인 양성자, 전자와 같은 소립자들은 질량 등 물리적 성질은 동일하지만 자신과는 반대의 전하를 갖는 반(反)입자를 갖는다. 즉 양성자의 전하가 양(＋)인 반면 반입자인 반양성자의 전하는 음(－)이고, 전자의 전하가 음(－)인 반면에 그에 해당하는 반입자인 양전자의 전하는 양(＋)이다. 만약 입자와 반입자 또는 물질과 반물질이 만나게 되면 빛의 형태로 많은 에너지를 내며 둘 다 소멸한다. 역으로 고에너지 입자들이 반응하면서 입자-반입자 쌍이 생성되기도 한다.
보통의 물질을 구성하는 소립자(양성자, 중성자, 전자 등)의 반입자(반양성자, 반중성자, 양전자 등)로 구성되는 물질을 말한다. 입자와 반입자가 만나면 상호작용하여 감마선이나 중성미자로 변하기 때문에 존재를 확인하기 어렵다. 실제로 확인한 반물질은 반중성자, 반양성자, 반중양성자 등이 있다. 또한 반물질과 물질이 서로 접촉하면 쌍소멸이 일어나고 막대한 양의 에너지가 발생한다.(1kg당=TNT 43Mt)
또, 수소 원자의 반물질은 반수소 원자이다. 실제로 CERN에서 5만 개 이상의 반수소 원자(양전자 1개, 반양성자 1개)의 합성에 성공했다. 반수소 원자는 전하량을 가지지 않는 전기적 중성상태이기 때문에 소멸되는 것을 늦추기 위해 액체 헬륨을 이용하여 내부의 온도를 0.5K 으로 만들어 입자의 소멸을 늦추었다. 반수소 원자는 16분간 지속된후 사라졌다. 세상에서 가장 귀한 물질도 반물질이다.
쌍소멸이 일어날때의 막대한 양의 에너지를 이용하여 폭탄 혹은 대체에너지등으로 이용할 수도 있다. 예로 반물질을 이용해 폭탄 제조가 가능하다면 수소폭탄보다 위력이 1000배는 강력할 것으로 예상된다. 그러나 제조 과정이 비효율적이기 때문에 실제로 제조가 불가능할 것이라는 의견도 제시된다.
또한 반물질과 물질이 만날 때 생성되는 쌍소멸의 에너지는 엄청나기 때문에 여러 분야에서 방대한 에너지원이 될 수 있다.
반물질 1g의 제조 비용은 7경 1875조 5000억 원이다. 이는 반물질 1g을 제조하기 위해 필요한 모든 제반시설에 대한 건설비용, 인력비 등을 포함한 액수이고, 오가네손에 이어 세상에서 두 번째로 비싼 가격이다.
발견[편집]
모든 물질이 일종의 거울 이미지 같은 반물질을 가지고 있다고 최초로 주장한 물리학자는 영국의 폴 디랙이다. 그는 1928년에 정립한 방정식에 의해 음이 아닌 양의 전자를 지닌 가벼운 입자가 있다고 주장하면서, 우주에는 이처럼 전하가 뒤바뀐 세계가 있을 것이라는 가정을 세웠다.
그런데 그로부터 불과 4년 후 폴 디랙의 주장이 사실임이 밝혀졌다. 전자와 질량은 같지만 양의 전하를 가진 양전자가 발견된 것이다. 더구나 최초의 반물질을 발견한 이는 박사 학위를 받은 지 2년밖에 되지 않은 27세의 젊은 연구원이었다. 1936년 노벨 물리학상 수상자인 칼 데이비드 앤더슨이 바로 그 주인공이다.
1905년 9월 3일 뉴욕에서 스웨덴 이민자의 아들로 태어난 앤더슨은 LA 폴리텍 고등학교를 졸업한 후 전기공학을 공부하기 위해 캘리포니아 공과대학(칼텍)에 입학했다. 그러나 천문학자 I. S. 보웬의 강의를 들은 후 전공을 물리학으로 바꾸게 된다.
그의 초기 연구 분야는 X-선이었다. 1930년에 제출한 그의 박사학위 논문도 X-선에 의해 다양한 가스에서 방출된 광전자의 공간 부포에 관한 것이었다. 그는 대학원에 다닐 때 로버트 밀리컨 교수(1923년 노벨 물리학상 수상자)의 지도를 받았는데, 박사학위를 받은 후 칼텍의 연구원으로 일하면서도 밀리컨과의 관계를 이어갔다.
당시 밀리컨 교수의 관심사는 우주에서 쏟아지는 방사선인 우주선의 특성을 좀 더 자세히 밝히는 것이었다. 이를 위해 밀리컨 교수는 윌슨 구름 상자 등의 대형 실험 장치를 설치한 후 이 연구의 계획과 수행을 앤더슨에게 맡겼다.
앤더슨은 밤낮없이 15초마다 우주선을 관찰한 자료를 축적해 모으기 시작했다. 그렇게 모든 방대한 사진 속에는 음의 전자와 반대로 흰 궤적들도 찍혀 있었다. 조사 결과 그것은 양으로 대전된 입자의 것으로 대부분 무거운 핵입자들의 궤적으로 드러났다.
그런데 그중에서 이상한 사진 하나가 그의 눈길을 사로잡았다. 양전하의 궤적이지만 핵입자의 것이 아닌 궤적이 발견되었던 것. 핵입자의 경우 무거워서 가벼운 전자보다 직선에 가까운 궤적을 그리지만, 그것은 방향만 반대일 뿐 음전하의 전자와 똑같이 휘어져 있었다.
바로 폴 디랙이 예견한 양전자의 궤적이었다. 앤더슨은 반복해서 확인한 끝에 그것이 양전자임을 확신했다. 양전자를 발견한 다음해인 1933년 앤더슨은 S. H. 네더마이어 박사와 함께 감마선이 물질을 통과할 때 양전자를 생성한다는 최초의 직접적인 증거를 얻었다.
우주선에는 전자와 양전자가 거의 동일한 양으로 존재한다. 그러나 양전자는 대기 중으로 들어오는 순간 소멸해 버린다. 앤더슨은 우주선의 에너지 분포 및 물질을 통과할 때 에너지 손실을 연구하는 등 우주선의 특성에 관한 심층적인 연구에서도 중요한 기여를 했다. 이 같은 업적을 인정받아 그는 우주선의 존재를 처음으로 밝혀낸 빅토르 H. 헤스와 공동으로 1936년 노벨 물리학상을 받았다.
노벨상을 수상한 이후에도 앤더슨은 주요한 발견을 이어갔다. 이듬해인 1937년 네더마이어와 함께 뮤온 중간자를 발견했으며, 1949년에는 뮤온 중간자의 자연 붕괴에 따라 전자와 2개의 중성미자가 발생된다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.[1]
쌍소멸[편집]
전자와 양전자 쌍이 충돌하면 전하를 비롯하여 내부 양자수의 합이 0이 되므로 서로 소멸하여 한 쌍의 광자가 만들어질 수 있다. 이를 쌍소멸이라 한다. 즉 쌍소멸 반응은 e⁺ + e⁻ → ɤ + ɤ이다. 마찬가지로 수소원자와 반수소원자를 충돌시키면 서로 소멸할 수 있다. 좀 더 일반적으로 어떤 물질 덩어리에 대해 그 구성입자들을 반입자로 정확히 바꾼 반물질 덩어리를 생각할 수 있는데 이런 물질과 반물질 쌍이 충돌하면 서로 소멸하면서 의 관계식에 의해 질량이 광자와 같은 에너지로 완전히 전환될 수 있다. 그러므로 만약 우리 주변에 혹시 반물질이 존재했었다 하더라도 이미 오래 전에 물질과 만나 소멸하고 현재는 물질만 남아있는 것이라고 이해할 수 있다.
반물질에 대한 우주론의 미해결 문제[편집]
실제로 우리가 관측할 수 있는 우주는 대부분 물질만 있고 반물질은 거의 없다. 그 이유는 우주 초기에 반물질이 주변의 물질과 만나 대부분 소멸했기 때문이고 추측할 수 있다. 그런데 이렇게 되기 위해서는 최초에 물질이 반물질보다 약간 더 많았어야 한다. 그래야 쌍으로 소멸된 이후에도 남은 물질이 현재의 우리 우주를 구성할 수 있기 때문이다. 왜 우주 초기에 물질이 반물질보다 더 많았었는지에 대해서는 여러 연구가 진행 중에 있으며 아직 완전히 알고 있지는 못하다. 이 미해결 문제를 중입자 생성(baryogenesis) 문제라고 한다.
반물질 폭탄[편집]
'천사와 악마'(댄 브라운 지음)와 같은 소설에 보면 반물질을 이용하여 폭탄을 만들 수 있는 것으로 나온다. 원리적으로 반물질 폭탄이 불가능한 것은 아니다. 그리고 일단 만들어진다면 그 위력은 과학이 허용하는 최고, 최후의 폭탄이 될 것이다. 물질이 순수하게 에너지로 변환되는 것이기 때문이다. 그러나 반물질 폭탄이 현실적으로 만들어질 가능성은 사실상 없다. 반물질을 폭탄으로 만들 수 있을 정도로 많이 만드는 것이 불가능할 뿐만 아니라 설령 만들었다 해도 안전하게 보관하는 것이 불가능하기 때문이다.
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 이성규 객원기자, 〈반물질을 발견한 27세 연구원〉, 《사이언스타임즈》, 2019-08-28
참고자료[편집]
- 〈반물질〉, 《위키백과》
- 〈반물질〉, 《물리학백과》
- 이성규 객원기자, 〈반물질을 발견한 27세 연구원〉, 《사이언스타임즈》, 2019-08-28
같이 보기[편집]
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