가장 무거운 반(反)물질 원자핵 발견

***************************

우주 생성비밀 벗길까…부산대 연구팀, 가장 무거운 반(反)물질 원자핵 발견

[서울신문] 2011년 04월 25일(월) 오후 06:25

 

부산대 유인권(44·물리학과) 교수 연구팀이 소속된 STAR연구팀이 인류역사상 가장 무겁고 안정적인 반(反)물질 원자핵을 세계 최초로 발견했다.

유 교수팀 등 12개국 54개 연구기관으로 구성된 중이온 충돌실험에 관한 국제연구그룹인 STAR연구팀은, 최근 미국 뉴욕주 롱아일랜드에 있은 상대론적 중이온충돌기(RHIC)를 이용한 ‘고에너지 금핵-금핵 충돌실험’에서 ‘반물질 헬륨4 원자핵’을 최초로 발견하는데 성공했다. 연구팀은 2000년부터 10년이 넘는 연구 끝에 중이온 충돌실험에서 반물질 원자핵 헬륨4를 18개나 검출했다.

입자물리학계는 이 연구 성과가 앞으로 우주 탄생의 비밀을 밝히는데 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 과학계는 137억년 전 우주가 대폭발, 즉 빅뱅을 일으켜 탄생했다고 보고 있다. 이 과정에서 물질과 반물질이 생겼는데 반물질은 모두 사라져 버려 지금까지 의문으로 남아 있다.

실험 내용을 담은 이 논문(Observation of the antimatter helium-4 nucleus)은 세계적인 과학저널인 네이처 최신호에 실렸다.

헬륨4 원자핵은 지금까지 인류가 발견한 반물질로서는 가장 무거운 원자핵이다. 과학계는 헬륨4 원자핵보다 더 무겁고 방사성 분열을 하지 않는 반물질 원자핵종을 발견할 확률은 이번 발견 과 비교해 100만분의 1, 또는 그 이하로 희박하다고 보고 있다. 따라서 이번 발견은 인류가 찾은 가장 무거운 반물질 원자핵으로 기록될 전망이다.

물리학의 가장 큰 수수께끼 중의 하나는 빅뱅 초기에 같은 양으로 생성됐을 물질과 반물질 중에서 ‘왜 지금의 세상은 오로지 물질로만 구성됐을까’하는 의문이었다.

유 교수는 “이번 발견은 올해 국제우주정거장에 설치돼 우주로부터 날아오는 반물질을 탐색하게 될 AMS 실험과도 직결돼 있고, 앞으로 스위스 선(CERN) 등에서 진행 중인 반물질 연구에도 중요한 계기가 될 것”이라고 밝혔다. 그는 이어 “CERN에서 세계 최대의 가속기인 강입자 충돌기에서 미국의 상대론적 중이온충돌기보다 무려 수십배의 에너지로 중이온충돌 실험이 진행되고 있어, 어떤 반물질이 얼마나 발견될 것인지에도 관심이 모아지고 있다.”고 말했다.

반물질(反物質·antimatter)이란?

보통의 물질을 구성하는 소립자(양성자, 중성자, 전자 등)의 반입자(반양성자, 반중성자, 양전자 등)로 구성되는 물질을 말한다. 입자와 반입자가 만나면 상호작용해 감마선이나 중성미자로 변하기 때문에 존재를 확인하기 어렵다. 지금까지 전자의 반물질인 양전자, 양성자의 반물질인 반양성자가 발견됐다. 이번에 발견된 반물질 헬륨원자핵 4는 이들보다 각각 8000배, 4배정도 무겁다.[인터넷서울신문]

반물질(反物質)antimatter

보통 물질에서의 전자·양성자·중성자 등의 질량을 가지면서 전하의 부호는 반대인 소립자들로 구성된 원자들이 이루는 물질.

이러한 입자들은 양전자(e＋)· 반양성자()· 반중성자() 또는 전체적으로 반입자라고 불린다. 물질과 반물질은 큰 에너지를 방출하고 쌍소멸되기 때문에 가까운 거리에서 수분의 1초 이상 공존할 수 없다. 멀리 떨어진 어떤 은하계는 완전히 반물질로 이루어져 있다고 주장한다.

반물질의 개념은 양전하와 음전하의 이원성을 분석하면서 처음으로 생겨났다. 전자의 에너지 상태에 관한 폴 A.M. 디랙의 연구에서 반물질이 예측되었으며 결국엔 음전하 대신 양전하라는 사실만 빼고는 전자와 모든 면에서 똑같은 입자를 실험적으로 생성시켰다 (→ 색인 : 디랙). 양전자(e＋)라고 부르는 그러한 입자는 보통의 물질에서는 발견되지 않는다. 보통 물질에서 양전하의 기대수명이나 존속시간은 매우 짧다. 양전자가 굉장히 빠르게 움직이지 않으면 반대부호를 가진 전하들간의 인력에 의해서 보통의 전자에 가깝게 끌릴 것이다. 양전자와 전자의 충돌은 그들을 동시에 소멸시키고 그들의 질량은 아인슈타인의 관계식E=mc2에 따라서 에너지로 변환된다. 이 과정을 소멸이라고 하며 생긴 에너지는 전자기 복사나 감마선의 고에너지를 가진 양자의 형태로 방출된다. 역반응인 r → e＋＋e－도 적당한 조건에서 일어날 수 있으며 이 과정을 전자-양전자 생성이라고 한다. 이 마지막 과정이 실험실에서 양전자를 발생하는 데 흔히 사용된다. 양성자와 중성자의 반물질대응체인 반양성자()와 반중성자()는 그들의 존재 가능성에 대한 수년간의 연구 끝에 1950년대 중반에 발견되었다. 중수소의 핵에 해당하는 반입자인 반중양성자는 뉴욕의 브룩헤이번 국립연구소의 30GeV(기가전자볼트) 싱크로트론에서 고에너지 충돌로 생성되었다. 반물질의 전기적 특성은 보통물질과는 반대이다. 따라서, 예를 들면 는 음전하를 가지고 은 비록 전기적으로 중성이지만 중성자와 반대부호의 자기 모멘트를 갖는다.

전자와 양전자에 대한 디랙의 이론은 전자와 양성자가 수소원자를 이루듯이 전자와 양전자가 쿨롱인력으로 인해 서로 결합하여 원자를 이룬다고 예측한다. e＋e－속박계는 포지트로늄이라고 하며 소멸하여 감마선으로 되는 것이 관측되었다. 포지트로늄은 2입자의 방향에 따라서 10－7~10－10s 정도의 수명을 갖는다. 이 수명은 디랙의 이론으로 계산한 값과 잘 일치한다. 양성자와 중성자는 둘 다 디랙방정식으로 기술된다. 반양성자는 양성자와 양성자를 서로 충돌시킴으로써 생성된다. 충분한 에너지가 있으면, 즉 입사하는 양성자의 운동 에너지가 최소한 5.6GeV이면 양성자의 질량을 갖는 별도의 입자가 E = mc2의 공식에 따라 생겨난다. 그와 같은 에너지는 1950년대에 캘리포니아의 버클리 베바트론(입자가속장치)에서 생성가능하게 되었다. 1955년에 오윈 체임벌린과 에밀리오 세그레가 이끄는 물리학자들의 팀에 의해서 반양성자가 고에너지 충돌에서 생성되는 것을 관측했다. 반중성자도 고에너지를 방출하면서 물질 내에서 소멸하는 것이 버클리의 베바트론에서 관측되었다. 반양성자가 발견되었을 때쯤 새로운 원자구성입자들의 무리도 발견되었다. 현재 이 모든 입자들은 대응되는 반입자들을 가진 것으로 알려져 있다. 여기에는 양 뮤온과 음뮤온, 양 파이중간자와 음파이중간자, K중간자와 반K중간자가 있으며 중입자와 반중입자에 속하는 많은 입자들도 발견되었다. 새로 발견된 대부분의 입자들은 수명이 너무 짧아서 전자와 결합할 수 없다. 예외적인 것은 양뮤온인데 전자와 함께 뮤오늄원자를 형성하는 것이 관측되었다.

우주론적 문제에서 반물질의 중요성에 대한 연구가 많이 시도되었다. 물질과 반물질의 이론적이며 실험적 지식은 우주의 생성과 구성을 이해하는 데 도움이 된다. 어떤 별이라도 물질과 반물질이 밀접해 혼합되어 있지 않음이 분명하다. 만약에 그렇게 혼합되어 있다면 초신성보다도 더 격렬하게 즉각적으로 폭발하여 버릴 것이다. 성간 가스 그리고 은하계간 가스도 물질과 반물질의 혼합체가 될 수 없다. 이는 양성자와 반양성자가 파이중간자로 되는 소멸과정의 생성물 중에서 큰 에너지를 가진 두 감마선으로 붕괴하는 중성 파이(π0)중간자가 얼마간 존재하기 때문이다. 인공위성실험에서는 많은 양의 반물질이 소멸했음을 암시하는 충분한 양의 감마선을 발견하지 못했다. 그렇다면 물질과 반물질이 은하계 성단의 간격으로 떨어져 있다고 가정할 수도 있다. 중입자와 반중입자 쌍의 생성은 매우 국부적이어서 약 10-13㎝의 간격에서 생성된다. 우주의 진화에 대한 현재의 이론으로는 물질과 반물질이 처음에 함께 생겼다면 왜 서로 섞여 있지 않은가를 설명할 수 없다. 반물질의 존재는 준항성체(퀘이사) 현상을 자연스럽게 설명할 수 있을 것이라는 제안이 여러 번 제기되었다. 준항성체는, 한 이론이 가정했듯이 외부 은하계까지의 거리만한 데에 있을 경우 작은 공간영역에서 굉장한 비율로 에너지를 방출한다. 그 비율은 너무 커서 물리학의 일반 법칙으로는 그것을 설명할 수 없다. 물질과 반물질의 소멸은 가장 효율적인 에너지 생성과정이며 준항성체에서 관측되는 상당한 양의 에너지 출력을 쉽게 설명할 수 있다. 어떤 과학자들은 물질-반물질이 소멸한다는 가정 없이도 준항성체에 대해서 좀 더 전통적인 설명이 가능하다고 생각하고 있다. X선의 천체물리적 생성원과 우주선에 대해서는 그와 같은 가정이 필요없다. 그럼에도 불구하고 우주 내에 반물질이 상당량 존재한다는 것은 현재로서는 완전히 배제할 수 없다. 또한 강한 복사를 나타내는 어떤 우주적 생성원이 물질과 반물질의 상호결합에 의한 것이라는 가능성도 배제하지는 못한다. 그러나 은하계 내의 반물질이 갖는 전체적인 상대량은 1/107보다 작아야 한다는 것을 보일 수 있다.

반양성자가 발견되고서 반물질과 보통물질과의 중력이 인력이냐 척력이냐에 대한 물음이 곧 제기되었다. 이 물음은 물질과 반물질 사이의 중력이 척력이면 일반상대성이론과 맞지 않기 때문에 매우 중요하다. 이 질문에 대한 답은 K0와 0 중간자의 특성 때문에 실험적으로 얻을 수 있다. 와 K 사이의 간섭현상을 관측함으로써 M. L. 구드는 물질과 반물질 사이의 중력작용은 물질과 물질 사이의 중력과 같다고 결론지었다.[브리태니커]