[재밌는 양자역학] 16. 반물질 (Antimatter)

안녕하세요 ~ 생각하는 공대생입니다.

오늘은 반물질에대하여 알아보겠습니다.

지구상에서 가장 비싼물질은 무엇일까요?

루비? 다이아몬드?

아닙니다 바로

반물질! (Antimatter)입니다.

반물질의 가격은 대략

1g당 7경 1180조원 !!!

(반물질 1g을 제조하기 위해 필요한 모든 시설에 대한 건설비용, 가동비용 인력비 등을 포함한 액수)

?

지구상에서 가장비싼 보석인 다이아몬드조차

1g에 약 6100만원으로 

비교도 안되는 압도적인 가격입니다.

그럼 반물질 (Antimatter) 이란 무엇일까요?

일반적인 물질이 입자가 모여 만들어지듯이

반물질은 반입자가 모여 만들어집니다.

모든 물질은 원자로 이루어져 있고

원자는 입자(양성자·중성자·전자·쿼크 등)로 구성된다는 것은 다들 알고 계실겁니다.

마찬가지로 반물질은 입자와 기본적인 성질은 같지만

 전하값이 반대인 반(反)입자(반양성자·반중성자·양전자 등)로 된 물질입니다.

예를들어 전자의 전하가 -e이라면 

반물질인 양전자는 전자와 질량이 같지만 전하가 +e인 물질인 것이죠.

반물질이 SF영화에나 나오는 허구의 존재라고 생각하실 수도 있는데,

1928년에는 폴 디랙(Paul Dirac)의 디락 방정식으로 부터 반물질의 존재가 예견되었고

1932년에 칼 앤더슨에 의해 반물질을 구성하는 반입자중 하나인 양전자가 발견되었습니다.

또한 반입자인 반양성자는 1955년 가속기 실험을 통해 존재가 입증되었으며

반중성자는 1956년 캘리포니아대학 베바트론에서 6.2GeV 에너지 충돌 실험 중에 발견되었습니다.

일단 반물질에 대해 알기 위해서는 그 근원이 되는 이론에 대해 알아볼 필요가 있습니다. 

바로 위에서 언급한 디랙의 방정식입니다.

영국출신의 이론물리학자 폴 디랙은 

양자역학과 상대성 이론을 결합하여 디랙 방정식을 만들어냈습니다.

그런데 이 방정식을 풀면 

에너지가 양의 값뿐만 아니라 음의 값도 가능해진다는 심각한 모순이 나타납니다. 

대체 음의 에너지라는게 뭐죠?

폴 디랙(Paul Dirac) 1902~1984

하지만 디랙은 자신의 이론을 버리지 않고

계속 연구하여 우주의 엄청난 비밀을 알아내게 됩니다!

디랙은 이러한 모순을 설명하기 위해 

디랙의 바다(Dirac Sea)라는 이론을 만들어내게 됩니다.

 이는 우주가 양의 에너지뿐아니라 음의 에너지를 갖는 형태이며

무한히 많은 전자가 음의 에너지층을 다 채우고 있어

더 이상 낮은 에너지 상태인 음의 에너지가 될 수 없기 때문에

양의 에너지를 갖고 있는 것이 

바로 우리가 볼 수 있는 일반적인 전자라는 이론입니다.

좀더 자세하게 설명해보도록 하죠 ㅋㅋㅋㅋ

왼쪽그림은 음의 에너지를 가진 전자들로 우주가 가득 차있는 모습입니다. 

이것이 에너지가 가장 낮은 진공상태이며 우주에는 아무 것도 없는 것처럼 보입니다.

이때 음의 에너지 상태가 가득 차고도 전자 하나가 남으면 

전자는 양의 에너지를 가질 수 밖에 없는데

이때 오른쪽 그림처럼 그 전자 하나를 보게 되는 것입니다.

이 이론에 의하면, 양전자는 음의 에너지로 꽉 채워진 디락의 바다에서 

전자가 에너지를 받아 양의 에너지 영역으로 올라오게 될 경우

음의 에너지 영역에 생기는 전자가 있던 빈자리이라고 설명합니다. 

물리를 심화있게 배운분이라면 전자와 양공을 설명할때와

비슷한 개념이 도입된다는 것을 알아채셨을겁니다 ㅎㅎ

아무튼 이러한 이론에 대해 학계의 반응은 그다지 좋지 않았습니다.

모든 이론물리학이 그렇듯

이론만 있을 뿐 뒷받침되는 실험적인 증거는 없었거든요. 

하지만 놀랍게도, 1932년에 결정적인 증거가 발견되었습니다. 

앤더슨이라는 학자가 우주에서 날아오는 입자들을 관측하던 중

질량이 전자와 같으면서도 양전하를 띤 입자인 양전자를 발견한 것입니다.

다른 성질은 분명 전자인데, 자기장을 걸어주면 

원래 전자처럼 (+) 극으로 이동하는 게 아니라 (-) 극으로 이동하는 놈이 나온거죠.

양전자의 발견 이후 반물질은 더 이상 이론만이 아니게 되었습니다.

양전자뿐만 아니라, 모든 기본입자에 대한 반입자가 존재한다는 것이 밝혀진 것이죠.

양성자와 중성자를 구성하는 기본 입자인 쿼크(quark)도 반입자인 반쿼크가 존재하고

중성미자, 뮤온, 타우온 등의 기본 입자들에도 각각 반입자가 존재합니다.

중성일 경우엔 반대 극이 없기 때문에 자기 자신이 반입자가 되기도 하는데

대표적인 것이 빛 입자인 광자입니다.

디락의 바다 이론은 반물질의 발견의 시작점이 된 이론이지만

현재는 이론상의 한계로 인해  

더 수학적으로 복잡하지만 완성도가 높은 이론으로 대체되게 됩니다.

바로

 양자장론(Quantum Field Theory)

이는 쌍생성(pair production) 쌍소멸(annihilation)과 함께 

다음 포스팅에서 자세하게 다루도록 하겠습니다.

다음 이 시간에