물질과 반물질

보통의 물질과 비슷한 성질을 가지며 전하만 반대인 입자들을 반물질이라고 합니다. 반물질은 1928년 폴 디랙이 가정했고, 1932년 처음으로 탐지됐습니다. 1967년 안드레이 사하로프는 물질이 우세한 현재의 우리 우주가 만들어지기 위해 필요한 조건들을 서술했습니다. 반물질의 소멸과 관련된 질문들은 우주론과 입자 물리학 모두에서 중요한 의미를 갖습니다.

 

1. 반물질이란?

반물질은 단순히 정상 물질과 반대인 전하를 가지는 기본 입자들로 구성된 물질입니다. 그러한 입자들의 존재는 1928년 영국의 이론가 폴 디랙이 처음으로 제안했습니다. 폴 디랙은 전자에 대한 양자적 기술이 전자와 동일한 성질을 가지며 음전하가 아니라 양전하를 갖는 '반전자'의 존재가 있음을 깨달았습니다. 미국의 물리학자 칼 앤더슨은 1932년 캘리포니아 공과대학에서 양전자로 알려진 이 입자들을 만들어 내고 탐지해 내는 데에 성공했으며, 오늘날 우리는 이것들이 특정한 형태의 방사성 붕괴에 의해 자연적으로 만들어진다는 것을 알고 있습니다. 이보다 더 큰 반입자는 자연 상태에서는 알려져 있지 않지만, 1955년 에밀리오 세그레와 오언 체임벌린은 반쿼크들로 구성돼 있는 반양성자를 만들어 낼 수 있었습니다. 반중성자 역시 존재하는데, 이것은 반대 전하를 가지는 반쿼크들로 구성돼 있습니다.

 

이론적으로 반입자들은 서로 결합해 반원자와 반분자를 형성할 수 있지만, 1995년이 되어서야 스위스의 CERN에 있는 저에너지 반양성자 고리 입자 가속기를 이용해 양전자가 반양성자 주위의 궤도를 돌고 있는 반수소 원자를 만들어 낼 수 있었습니다.

 

2. 순식간에 사라지다

가장 잘 알려진 반물질 입자의 성질은 그들이 정상 물질 상대를 만나면 소멸돼 버리는 경향성입니다. 반물질과 정상 물질이 만나면 디랙의 방정식과 아인슈타인의 유명한 E=mc^2에 따라 양쪽 입자의 질량이 직접 에너지로 변환되면서, 고출력의 감마선 폭발 속으로 사라집니다. 반물질의 이러한 성질 때문에 반물질을 연구하는 것은 매우 어렵고, 강력한 자기장을 사용해야만 정상 물질과 즉각적으로 합쳐져 사라지는 것을 막을 수 있습니다.

 

반물질의 성질은 이론물리학자들의 호기심을 끈 반면, 우주론자들에게는 또 다른 문제를 남겼습니다. 대폭발과 같은 극한 상황 속에서는 물질과 에너지가 상호 변환 가능하지만, 에너지가 물질로 변형될 때는 입자-반입자 쌍이 균형을 이루어 만들어져야 하는데 그들은 다시 그 질량에 해당하는 만큼의 에너지를 방출하면서 사라질 것이기 때문입니다. 결과적으로 우주는 입자들이 더 이상 자발적으로 만들어지지 않을 때까지 식지만, 그 온도가 돼서도 여전히 입자와 반입자가 균형을 이루고 있어서 서로를 없애 버릴 것입니다.

 

이것이 옳다면, 왜 현재의 우리 우주는 물질이 우세한 것처럼 보이는 것일까요? 이에 대한 한 가지 가능한 대답은, 우주가 물질이 우세한 것처럼 보이는 것은 허상이며 우리가 보는 먼 별들과 은하들은 사실 반물질로 구성돼 있다는 것입니다. 1908년 통구스카 대폭발의 원인이 아주 작은 양의 반물질이었다는 주장도 존재합니다. 반물질만으로 이뤄진 물체는 본질적으로 정상 물질로 이뤄진 물체와 구분되지 않지만, 별들 사이의 공간이나 심지어 은하들 사이의 공간은 눈에 보이는 것처럼 텅 비어 있지 않으며, 우리는 물질과 반물질이 서로를 만나는 영역에서 숨길 수 없는 소멸의 흔적을 보게 될 수도 있습니다. 하지만 아직까지 이런 영역은 관찰되지 않았고, 그 결과 대부분의 천문학자들은 우주(또는 적어도 관찰 가능한 우주)가 본질적으로 물질이 우세한 우주라고 믿습니다.

 

 

오늘은 물질과 반물질에 관해 포스팅해 보았습니다. 여러분은 반물질이라는 것을 알고 계셨나요? 생각보다 미시적인 세계에서도 저희가 모르는 많은 입자들과 물질들이 있다는 점이 늘 새롭고 신비롭게 느껴지는 것 같습니다. 또한 눈에 보이지 않는 그런 존재들을 알아내 연구한다는 것도 정말 대단하다고 느껴집니다. 여러분은 어떠신가요?

 

 

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