[스크랩] 반물질[反物質, antimatter] 最新 宇宙 物理論

반물질[反物質, antimatter] 最新 宇宙 物理論 2007/01/30 16:50 http://blog.naver.com/danhan09/150013968057

 1.반물질

 

반물질이란 보통의 물질을 구성하는 소립자의 반입자로 구성되는 물질로 정의됩니다.  반입자는 1932년 켈리포니아 공대의 P.M.앤더슨이 윌슨의 안개상자 속에 납의 박판을 넣고 우주선의 비적(飛跡)을 촬영하던 중 양전자(陽電子)를 발견하면서 그 존재가 처음 밝혀졌습니다.

그러나 앤더슨의 발견이 있기 전에 이미 반입자의 존재는 이론적으로 예측되어 왔습니다.

반입자의 존재가 처음 예견된 것은 영국의 이론물리학자인  P. A. M. 디락이 1927년에 발표한 방정식에서 입니다.

 

아래의 디락방정식에서 입자가 가질 수 있는 에너지가 음의 값이 될 수 있음을 알 수 있습니다.

 

*디락방정식

^{E =}

E : 입자가 갖는 에너지

m₀ : 입자의 정지질량

c : 광속

p : 입자의 운동량(mv, 여기에서의 m은 정지질량이 아닌 특수상대성이론의 효과에 의해서 증가된 질량. v는 입자의 운동속도)

*방정식의 우변이 모두 루트안에 있으므로 양과 음의 해가 모두 가능합니다.

 그렇다면 왜 현실세계에 존재하는 입자들은 음의 에너지로 떨어지지 않고 있는지에 대한 설명이 필요할 것입니다.

 

예를 들어 원자핵 주위를 도는 전자는 여기상태에서 광자를 방출하면서 에너지가 줄어들고 바닥상태로 떨어집니다.

 

이상태가 가장 안정되어 있으므로 원자는 더 이상의 에너지를 방출하지 않게 됩니다.  그러나 전자가 음의에너지를 가질 수 있다면 전자는 외부로 광자를 계속 방출하면서 -∞의 에너지를 향해서 계속 떨어져 갈 것이며, 원자는 붕괴될 것입니다.

 

그러나 현실세계에선 이러한 현상이 전혀 일어나고 있지 않습니다.  디락은 이것에 대한 해결책으로 파울리의 배타의 원리를 이용했습니다.  모든 입자들이 가질 수 있는 음의에너지 준위는 모두 채워져 있고, 따라서 현실세계에 존재하고 있는 입자들은 음의 에너지준위로 들어갈 자리가 없기 때문에 항상 양의에너지만을 갖게 된다는 것입니다.

 

이 음의에너지 준위를 채우고 있는 입자들 중 하나가 외부로부터 에너지를 얻어 양의에너지로 올라오게 되면 그 입자가 존재하던 자리는 빈 공간으로 남게 됩니다. 그런데 여기서 주목할 점은 이 빈 공간이 마치 하나의 입자처럼 행동한다는 것입니다.

이 빈 공간의 질량은 그곳을 채우고 있던 입자가 양의에너지를 가진 상태와 동일하며, 전하와 스핀방향은 반대가 됩니다.  이것이 바로 반입자입니다.

 

 반입자의 생성과정

에너지↑   + m0c2        0   -m0c2				양의에너지의 입자
	음의에너지의 입자로 채워져 있음	2m0c2 이상의 에너지가 주입됨	음의에너지의 입자가 양의에너지를 갖게됨	빈 공간(반입자)

가장 기본적인 소립자들
 

전하	분류	1세대	2세대	3세대
+2/3	쿼크	up	charm	top
-1/3		down	strange	bottom
-1	렙톤	전자	μ(뮤온)	τ(타우온)
0		뉴트리노	뮤뉴트리노	타우뉴트리노

소립자들의 반입자들
 

전하	분류	1세대	2세대	3세대
-2/3	반쿼크	반up쿼크	반charm쿼크	반top쿼크
+1/3		반down쿼크	반strange쿼크	반bottom쿼크
+1	반렙톤	양전자	반뮤온	반타우온
0		반뉴트리노	반뮤뉴트리노	반타우뉴트리노

입자와 그 반입자가 서로 만난다는 것은 양의에너지를 가진 입자가 음의에너지 준위로 떨어질 수 있는 기회를 얻은 것이라고 볼 수 있으며 이 과정에서 두 입자는 질량을 모두 전자기파의 형태의 에너지로 방출하면서 소멸합니다.

입자와 반입자가 에너지로부터 쌍으로 만들어지는 과정은 쌍생성이라고 부르며, 반대과정을 쌍소멸 이라고 부릅니다.

전자와 양전자의 쌍소멸 과정은 강력한 감마선광자 두개를 방출하면서 종료되며, 이때 방출되는 두 개의 광자는 방향이 완전히 반대인 특징이 있습니다.

그러나 감마선광자가 쌍생성을 일으키는 반응은 광자와 다른 입자가 충돌하는 과정에서만 일어납니다.  이것은 백터량인 운동량와 스칼라량인 에너지가 동시에 보존되기 위해서는 생성된 두 입자가 완전이 평행한 운동을 해야하기 때문입니다.

같은 지점에서 생성된 입자와 반입자가 완전이 평행한 운동을 하게 된다면 쌍생성이 일어난 즉시 쌍소멸이 일어날 것이고, 이것을 막으려면 운동량과 에너지를 다른 입자와 교환할 필요가 있는 것입니다.

 2. 우주에 물질만이 존재하는 이유

현재의 우주는 물질만이 존재한다고 생각되고 있습니다.  우주공간으로부터 반입자들이 날아오기는 하지만 이것은 반물질을 구성하던 입자들이라기 보다는 높은 에너지 상태에서 쌍생성된 반입자들이라고 생각됩니다.

실제로 우주로부터 날아오는 반입자들은 양전자나 반양자 등이 낱개로만 검출되며, 반헬륨과 같은 좀더 복잡한 반입자는 단 한번도 검출된 적이 없다고 합니다.

 

결국 우리와 가까운 우주공간에서 이들 반입자끼리 서로 만날 기회는 거의 없으며 사실상 우주는 물질로만 이루어져 있다고 생각됩니다.

 

만약에 우주의 다른 곳에 반물질로 이루어진 지역이 존재한다고 가정하면 그 지역과 물질로 이루어진 지역의 경계에선 입자와 반입자의 접촉에 의한 강력한 감마선 광자가 방출될 것입니다.

그러나 그러한 감마선광자는 전혀 검출된 적이 없으며 지금까지의 어떠한 천문관측도 반물질로 이루어진 지역의 존재에 대한 근거를 제공하지 못하고 있습니다.

에너지로부터 입자와 반입자가 완전히 대칭적으로, 정확히 같은 비율로 생성되고 소멸한다는 점에서 볼 때 우주가 입자로만 이루어져 있다는 것은 미스테리입니다.

물질로만 이루어진 우주가 존재한다는 것은 결국 입자와 반입자 사이에 본질적인 비대칭이 존재함을 뜻합니다.

 

물리학에서 말하는 대칭성에는 CPT대칭성이라는 것이 있습니다. C는 전하(Charge), P는 패리티(Parity), T는 시간(Time)을 뜻하며,각각에 대해 변환을 시켰을 때 원래의 계(system)의 물리법칙과 똑같은 물리법칙이 적용된다는 것입니다.

전하만 바뀐 경우 즉 ‘C변환’은 입자가 반입자로, 반입자가 입자로 바뀐 경우입니다. 예를 들어 물질로 이뤄진 물체들끼리 충돌할 때 적용되는 물리법칙과 반물질로 만들어진 물체들끼리 충돌할 때 적용되는 물리 법칙은 동일하다는 것입니다.

따라서 물체들의 움직임만 봐서는 물질로 만들어진 물체인지, 반물질로 만들어진 물체인지 구분할 수 없으며, 이를 ‘C대칭성’이라고 부릅니다. 

‘P변환’은 자연계를 거울에 비춰 바라보는 것입니다.  거울 속의 물체들,  예를 들어 서로 충돌하고 튕겨저 나가는 당구공들의 움직임을 분석해도 실제와 똑같은 법칙이 적용될 것이라고 가정하면 당구공의 움직임만으로는 이것이 실제인지, 거울 속에서 일어난 일인지 구분할 방법이 없습니다.

이를 ‘P대칭성’이라고 부릅니다.  그리고 ‘T변환’은 시간을 거꾸로 되돌린 것입니다. 만약에 거꾸로 돌아가는 영화의 장면을 본다면 우리는 누구나 이것이 실제사건의 역순이라는 것을 알 수가 있을 것입니다.

그러나 완전탄성충돌을 일으키는 미시세계의 입자들에서는 이를 구분할 수 없습니다.

분자들끼리의 충돌을 예를 들면 어느 한 기체분자 A가 정지해 있는 또다른 분자 B와 충돌한 뒤 자신은 멈추고 정지해 있던 기체분자 B가 운동을 하게 되는 경우 적용된 법칙이나 시간을 거꾸로 돌렸을 때의 상황, 즉 B가 정지해 있는 A를 때려 자신은 멈추고 A가 움직였을 때 적용된 법칙은 동일합니다.  이를 ‘T대칭성’이라고 부릅니다.

 그러나 방사성 동위원소인 코발트60의 베타 붕괴를 관찰한 결과 방출되는 전자의 스핀이 비대칭인 것으로 밝혀 짐으로서 P대칭이 파괴될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

이 실험에서 왼쪽으로 도는 전자의 개수가 오른쪽으로 도는 것보다 많았던 것입니다.

한편 뉴트리노의 경우는 모두 왼쪽 방향의 스핀을 갖고 있다는, 즉 ‘왼손잡이’라는 사실이 밝혀졌습니다.  왼손잡이 스핀이란 스핀축의 방향이 운동방향의 반대 방향이라는 것을 의미합니다.

전하가 0인 뉴트리노를에 대해서 입자와 반입자를 구분하는 유일한 방법은 스핀방향이었던 것입니다.

이러한 뉴트리노의 특성은 P대칭성이 깨진다는 것을 보여주는 가장 분명한 예입니다.

뉴트리노의 스핀특성이 어떻게 C대칭성과 P대칭성을 파괴하는 지는  π중간자라는 입자의 붕괴를 C와 P에 대해서 각각 변환시켜보면 알 수 있습니다. -전하를 띤 π중간자는 뮤온과 반중성미자로 붕괴합니다. 즉 π-→μ- + νμ의 붕괴반응이 일어나는 것입니다.

 

이때 π중간자는 스핀이 0인 반면에 뮤온과 반중성미자는 스핀이 각각 1/2입니다.  스핀은 붕괴과정에서 보존되며, 두 입자의 스핀의 합은 0이 되어야 합니다.  따라서 두 입자의 스핀의 크기는 같지만 방향은 반대가 될 것입니다. 

 

만약 π중간자가 정지해 있다가 붕괴한다면 뮤온과 반중성미자는 운동량보존의 법칙에 따라서 서로 반대방향으로 날아가야 합니다.  동시에 스핀의 총량도 보존되야 하므로 뮤온의 스핀방향이 운동방향의 반대일 때는 뉴트리노의 스핀방향역시 운동방향의 반대이어야 합니다.

 

그러나 뉴트리노의 스핀은 항상 왼쪽이므로 운동두 입자의 스핀이 운동방향이 되는 것은 불가능합니다.  그럼 이 반응에서 오른손잡이를 왼손잡이로 바꾸는 P변환을 시켜봅시다.

P변환을 시키면 두 붕괴 입자 모두 왼손잡이여야 하는데 반중성미자는 왼손잡이가 없습니다.

 

즉 중성미자와는 반대로 반중성미자의 스핀방향은 항상 운동방향, 오른손잡이인 것입니다.

즉 거울 속의 세계에서는 음의 π중간자가 같은 방식으로 붕괴할 수 없고 P대칭성이 100% 깨져있는 것입니다.

 

뉴트리노의 스핀특성은 π중간자 붕괴반응에서 C대칭성의 보존역시 파괴합니다.  C변환은 입자의 전하를 바꿔주는 것입니다. 

 

따라서 음의 π중간자 붕괴현상의 C변환은 π+→μ+ + νμ입니다(음의 π중간자는 양의 π중간자로, 뮤온은 반뮤온으로 반중성미자는 중성미자로 바뀐다). 하지만 C변환은 P변환과는 달리 입자의 스핀방향을 바꾸지 않습니다.

 

그러니까 이번에는 오른손잡이 반뮤온과 오른손잡이 중성미자로 붕괴하는 것입니다.  하지만 반중성미자는 오른손잡이 밖에 없다는 것처럼 중성미자는 왼손잡이 밖에는 없으며, 결국 C변환을 해보면 이런 붕괴는 일어날 수 없습니다.

 

C대칭성도 P대칭성과 마찬가지로 100% 깨져 있다는 것입니다. 물리학의 기본법칙인 대칭성이 완벽하지 않다는 것이 하나둘씩 밝혀져 갔지만 과학자들은 우주의 가장 근본적인 대칭성이 존재하며, C대칭성과 P대칭성이 깨졌더라도 CP변환, 즉 전하와 패러티를 같이 바꿔주면 대칭성이 유지될 것이라고 생각해 왔습니다.

 

C대칭성 깨짐의 효과와 P대칭성 깨짐의 효과가 서로 상쇄되기 때문에, (-1) (-1)=1이 되는 것과 비슷한 원리로 CP대칭성 보존될 수 있다는 것입니다.  위의 π중간자의 붕괴반응 역시 C변환과 P변환을 동시에 하면 대칭성의 보존이 이루어 질 수 있습니다.

그러나 1964년 미국 브룩크해븐연구소의 제임스 크로닌과 밸 피치가 CP대칭성이 깨진다는 연구결과를 발표함으로서 이 생각도 틀린 것임이 밝혀 졌습니다.  이들은 ‘K⁰중간자(다운쿼크와 반스트레인지쿼크로 구성됨)'의 붕괴과정을 추적하는 과정에서 이런 사실을 발견했습니다.

연구자들은 양성자가속기에서 K⁰중간자와 그 반입자(스트레인지쿼크와 반다운쿼크로 구성되어 있음)를 발생시켰습니다.  입자와 반입자는 쌍으로 태어나므로 이들도 같은 숫자로 생길 것이며, 이렇게 생기는 입자와 반입자의 쌍은 스핀이 반대방향, 즉 서로 거울상이므로 결국 둘은 CP변환을 한 관계입니다.

따라서 CP대칭성이 보존된다면 둘의 소멸 패턴이 동일할 것입니다.  그러나 관찰 결과 둘의 소멸 패턴에 미미한 차이가 발견됐으며, 물질과 반물질에 적용되는 물리법칙이 다르다는 결론을 얻은 것입니다. 

CP대칭성의 파괴, 즉 반입자와 입자간의 물리법칙의 차이가 존재함이 밝혀짐에 따라 우주에 입자만이 존재하는 이유에 대한 실마리를 찾을 수 있게 되었습니다.

C대칭성과 P대칭성, 그리고 CP대칭성까지도 깨진다는 것이 밝혀졌지만 CPT대칭성, 즉 C변환, P변환, T변환을 다 할 경우 대칭성이 유지된다는 것은 디랙의 이론에 따르면 필연적인 결과라고 합니다.

CP변환으로 대칭성이 깨질 수 있지만 여기에 T변환을 추가하면 다시 대칭성이 유지된다는 생각이지만 아직까지 CPT대칭성을 입증하거나 반증한 실험은 없다고 합니다.

 최근에는 B⁰중간자를 이용해서 CP 대칭성이 깨져 있는지 알아보기 위한 실험이 진행되고 있습니다.

이론에 따르면 B⁰입자는 K⁰입자보다 대칭성이 깨지는 정도가 훨씬 커 그 원인을 규명하는데 유리할 것으로 예상되기 때문입니다.

현재 미국 스탠퍼드선형가속기연구소(SLAC)에서는 ‘바바(BaBar)실험’이란 이름으로, 일본 고에너지가속기연구기구(KEK)에는 ‘벨(Belle)실험’이란 이름으로 불리는 국제공동연구가 진행되고 있습니다.

두 실험 모두 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 전자와 양전자를 충돌시켜 소멸할 때 발생하는 에너지에서 B⁰입자-반입자 쌍을 만들 게 됩니다.

B⁰입자는 다운쿼크와 반보텀쿼크로 이뤄져 있는데 수명이 매우 짧아 1피코초(피코는 1조분의 1) 후에는 다른 입자로 붕괴됩니다.

이 붕괴반응은 100가지가 넘을 정도로 다양한 방식이 존재해서 붕괴과정에 관여하는 입자, 반입자의 종류도 그만큼 다양하기 때문에 CP대칭의 파괴과정에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있을 것입니다.

 

현재의 우주가 물질로만 이루어져 있다는 것은 자연계의 기본법칙인 대칭성이 깨져 있다는 것을 의미합니다.

 

그러나 그러한 대칭성의 깨짐이 있었기에 현재와 같은 물질로 가득찬 우주가 존재할 수 있는 것입니다.

 

만약에 입자와 반입자가 완벽한 대칭이었다면 현재의 우주는 물질계 없이 오로지 광자로만 가득차 있었을 것입니다.

 

 3. 반물질의 이용가능성

현재 인류가 사용하는 에너지는 모두 질량을 에너지의 형태로 바꿔서 사용하는 것입니다.

잘 알려진 것처럼 원자로의 경우도 원자핵이 분열할 때 감소하는 질량이 에너지로서 방출되는 것이며, 태양이 방출하는 에너지 역시 수소가 헬륨으로 융합할 때 감소하는 질량만큼의 에너지가 방출됩니다.

 

핵반응이 아니더라도 통상적으로 일어나는 화학반응에서도 교환되는 에너지만큼의 질량의 변화가 발생합니다.

그러나 핵반응의 경우 반응물질의 전체 질량 중에서 에너지로 방출되는 것은 수 퍼센트에서 1퍼센트 이하이며, 화학반응의 경우 전체 질량 중 수 십만분의 1%만이 에너지로 변환됩니다.

그러므로 물질과의 쌍소멸을 통해 질량이 100%모두 에너지로 변환되는 반물질은 매우 이상적인 에너지 원으로 사용될 수 있을 것입니다.  연소반응에 있어서 가장 우수한 연료인 수소의 경우 1g을 산소로 연소시켰을 경우 114kJ의 에너지가 방출됩니다.

반면에 반수소 1g을 물질과 소멸반응을 일으키면 1.8 X 10¹⁴ kJ의 에너지가 방출됩니다. 반물질의 쌍소멸 반응은 같은 무게의 화학반응에 비해서 10억배 이상의 에너지를 방출하는 것입니다.

 

그러나 아직까지 반물질을 대량으로 만들어 내는 것은 불가능합니다.  지난 2002년 국제 실험팀인 아테나(ATHENA)팀이 유럽핵물리연구소(CERN) 입자가속기를 이용해 반(反)수소 5만개를 만드는데 성공했습니다.

 

그러나 그전까지는 한 자릿수,또는 두 자릿수의 반수소 원자를 만들어 내는 것이 전부였습니다. 그전까지 반수소를 만들어 내는데 사용된 충돌가속기는 반수소를 만들어내기 위해 설계된 것이 아닐뿐더러 반수소의 생성과정 역시 간단히 만들어 낼 수 없기 때문입니다.

 

기본적으로 물질의 실험도구는 실험 대상인 반물질을 파괴하기 때문이며, 극 초고에너지 상태의 반양자와 양전자가 서로 결합할 수 있도록 비슷한 상대속도를 가져야 하기 때문입니다.  

 

아테나팀은 입자가속기에서 만든 반양성자와, 방사성 물질에서 나오는 양전자를 구리관에 넣어 자기장을 형성함으로써 반입자를 가두었습니다.

 

구리관 내부는 반입자가 물질입자와 접촉하는 것을 막기 위해 높은 진공상태를 유지하고, 반입자가 외부의 복사선에 의해서 가열되는 것을 막기 위해 액체헬륨을 이용, 영하 268도로 냉각 한 뒤, 이 자기장 덫을 제어해 반양성자와 양전자가 만나서 반수소가 만들어 지도록 했습니다.

 

그러나 반수소 원자는 전기적으로 중성이기 때문에 만들어지는 순간 자기장 덫은 무용지물이 되고 맙니다.

 

반수소는 곧 실험장치의 벽에 부딪혀 소멸하고, 양성자-반양성자, 전자-양전자가 동시에 한곳에서 소멸한 것을 보여주는 특유의(정확히 반대 방향으로 방출되는)감마선광자 쌍들을 검출해서 반수소원자의 존재를 증명한 것입니다.

 

결국 이 실험장치역시 반물질의 계속적으로 축적할 수 있는 것은 아닙니다.  미래에 좀더 효율적인 반물질 생성장치가 등장해 하루에 100만개의 반수소 원자를 만들어 낸다고 가정하더라도, 1g의 반수소를 만들어 내는데는 약 1천6백 조(10¹²)년이 필요합니다.

 

이런 엄청나게 느린 속도로는 가까운 미래에 SF소설에 등장하는 반물질을 이용한 우주선이나 소설 '천사와 악마'에서 등장하는 것과 같은 위력적인 반물질폭탄등을 실용화시키기 힘들 것입니다.

#####################################################################

 

천사와 악마를쓴 소설가는 덴브라운으로 그는 프리메이슨이라고 스스로 말한적이 있다

 

그가 프리메이스닝기는 하나 그가쓴 반물질을 이용한다면 핵무기보다 더 무서운 무기가 출연될수 있다...그러나 반물질은 안정화 되지 않은 상태라서 그 상태를 유지하면서 반물질을 축적할수 있는 기술은 엄청난 기술이다

출처 : 프리메이슨 연구모임(프.연.모)

글쓴이 : 어머어머 원글보기

메모 :