반물질의 양(g)

양성자, 전자 그리고 중성자가 전부는 아니다. 자연에는 우리가 그 존재를 겨우 알아차릴 수 있는 또 다른 입자들이 있다. 모든 입자들은 자신의 반입자들을 가지고 있다. 반입자들은 질량을 비롯한 다른 물리적 성질은 모두 같지만 전하의 부호만 반대인 입자들이다.

반물질의 양(g)

반물질의 양(g)

1. 반물질 만들기

전자의 반입자는 양전자다. 양전자는 전자보다 훨씬 무거운 양성자와는 다른 입자다. 쿼크들도 반입자들을 가지고 있어서 쿼크들로 이루어진 양성자나 중성자도 반양성자와 반중 성자를 가지고 있다. 물리학자들은 스위스 제네바 부근에 있는 CERN의 대형 하드론 충돌 가속기(LHC)와 같은 장치를 이용하여 반입자를 만들어낼 수 있다. 그들은 반양성자와 반중 성자 그리고 양전자로 이루어진 반수소와 반 헬륨 원자를 만들어내기도 했다. 2011년 CERN의 물리학자들은 반수소를 17분 동안 분리해 놓는 데 성공했다.

반입자들은 자연적으로 만들어지기도 한다. 우리가 먹는 음식물과마시는 물에 포함된 칼륨-40의 방사성붕괴로 일반 체중의 어른은 매분 세 개의 양전자를 만들어내고 있다. 반입자는 우주선이 공기 분자와 충돌하거나 천둥과 번개가 칠 때, 그리고 특정한 의료 진단 장비에 의해서도 만들어진다. 또 태양에서도 핵융합 반응 과정에서 반입자들이 만들어진다.

그러나 보통 입자들에 비해 우주에 존재하는 반입자의 양은 비교할 수 없을 정도로 적다. 지금까지 CERN에서 만들어낸 반입자들의 에너지를 모두 합해도 60W짜리 전구를 네 시간 정도 밝힐 수 있을 정도밖에 안 된다. 현재 우리의 기술로는 사용하는 에너지의 일부만 반입자로 바꿀 수 있기 때문이다. 그러나 반입자를 생산하는 데는 엄청나게 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 CERN에서 가동 중인 전자장치에 사용되는 에너지를 모두 반입자 생산에 사용한다 해도 반입자 1g을 생산하기 위해서는 10억 년보다 더 긴 시간이 필요할 것이다.

소량의 반입자를 생산하는 데 드는 엄청난 비용을 감안할 때 반입자는 세상에서 가장 비싼 물질이다. 가장 보수적으로 계산해도 1g의 반입자를 생산하는 데 드는 비용은 10조 달러가 소요된다. 반입자 다음으로 비싼 물질은 캘리포늄-252로 1g을 생산하는 데 2700만 달러가 들었다. 1990년대 중반 이후 금 가격이 1g당 65달러를 넘지 않은 것과 비교하면 엄청난 금액이다. 이러한 경제성의 문제에도 불구하고 일부 과학자들은 반입자로 이루어진 반물질이 미래의 로켓 연료로 사용될 것으로 생각하고 있다.

2. 물질/반물질 대칭성 붕괴

반물질에 대한 가장 간단한 이론에 따르면, 우주 초기에 물질과 반물질은 같은 양으로 만들어졌어야 한다. 그러나 물리학자들은 1960년대 이후 물질과 반물질이 항상 대칭의 법칙을 만족시키는 것은 아니라는 것을 알게 되었다.

미국 물리학자 배 피치와 제임스 크로닌은 뉴욕 롱아일랜드에 있는 브룩헤이븐 국립연구소의 실험을 통해 전하와 패리티의 대칭성이 붕괴된다는 것을 발견한 공로로 1980년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 그들은 케이온 입자가 붕괴할 때 서로 다른 양의 전자와 양전자가 만들어진다는 것을 발견했다. 이는 물질과 반물질의 대칭성이 붕괴된다는 것을 의미했다.

CP 대칭성이 붕괴된다는 또 다른 증거가 2011년 CERN에서 D-중간자의 붕괴에서도 발견되었다. 초기 우주에서의 물질과 반물질의 대칭성 붕괴가 어떻게 현재의 우주를 만들게 되었는지에 대한 연구는 아직도 활발히 연구되고 있는 주제다.

물리학자들은 현재 이러한 대칭성 붕괴가 중성미자와 같은 다른 입자들에서도 일어나는지를 알아보기 위한 연구를 계속하고 있다

3. 로켓 연료로 사용되는 반물질

'우주 비행사'라는 말은 '별세계 항해자'라는 의미를 가지고 있다. 따라서 이 말은 현재 우주 비행사들이 하는 일을 정확하게 나타낸 말이 아니다. 지금까지 인류는 별세계를 여행한 적이 없다. 인류가 가장 멀리 간 것은 달까지다. 달까지의 거리는 태양에서 가장 가까운 별의 거리까지 100억 분의 1밖에 되지 않는다. 우리가 성간 공간을 여행하기 위해서는 새로운 형태의 연료가 필요할 것이다.

4. 반물질 저장소 및 공급 시스템

모든 추진 장치의 성능은 연소 과정에서 생성된 물질을 분사할 수 있는 능력에 의해 좌우된다. 대부분의 현대 로켓은 액체산소와 같은 무거운 화학물질을 화물로 날라야 한다. 이런 로켓은 추진력의 많은 부분이 무거운 연료 물질을 가속시키는 데 사용된다. 가장 이상적인 연료는 강력한 추진력을 내면서도 가벼워야 한다.

반물질 사용, 10g의 반물질이 소멸하면서 내는 에너지를 이용하면 화성까지 한 달 안에 도달할 수 있다. 이것은 현재 가능한 여행 시간을 6분의 1로 줄일 수 있는 속도다. 그러나 반물질 생산과 저장에 소비되는 엄청난 비용으로 인해 가까운 미래에 반물질이 연료로 사용될 가능성은 거의 없다.

5. 물질 만들기

반물질 생성의 가장 중요한 메커니즘은 쌍생 성이고, 쌍생 성의 기본원리는 질량과 에너지의 동등성을 나타내는 아인슈타인의 식 E=mc2에 포함되어 있다. 예를 들어 양성자와 반양성자 같은 입자와 반입자 쌍의 질량을 만들어내기에 충분한 에너지가 있으면 자연은 에너지를 입자 쌍으로 변환시킨다. 이런 경우 대칭성으로 인해 생성되는 입자와 반입자의 양이 정확히 똑같아야 한다.

그러나 질량과 에너지는 양방향으로의 전환이 가능하다. 입자가 반입자를 만나면 쌍소멸이라는 과정을 통해 다시 에너지로 변한다. 우주 역사에서 에너지 밀도가 높아 가장 많은 쌍생 성이 가능했던 순간은 빅뱅 직후였다. 우주가 팽창하면서 온도가 내려가 가장 가벼운 입자 반입자 쌍을 생성하기에도 부족할 정도로 에너지 밀도가 낮아지자 쌍생성이 중단되었다.

그런데 놀라운 점은 아직까지 물질이 남아 있다는 것이다. 빅뱅 후거의 140억 년이 지난 현재에는 모든 물질과 반물질이 에너지로 변했어야 한다. 따라서 별이나 은하를 만들 물질이 남아 있으면 안 된다. 우리가 알고 있는 한 순수한 에너지로 가득한 우주에서는 뼈나 심장 또는 DNA가 만들어질 수 없으며 따라서 생명체도 만들어질 수 없다.

그럼에도 물리학자들은 오늘날까지 우주에 존재하는 물질의 양으로부터 10억 개의 입자가 반입자와 쌍소멸 하여 사라질 때 하나꼴로 입자가 살아남았다는 것을 계산해 냈다. 그런데 우주 초기에 만들어졌던 반물질은 남아 있는 것이 없다. 반물질보다 약간 많았던 물질이 소멸 후에도 남아 전체 우주를 만들게 되었다. 물질과 반물질 사이에 대칭성이 존재한다면 초기 우주에 물질이 반물질보다 더 많이 만들어진 것은 물리학이 밝혀내야 할 가장 큰 의문 중 하나다.

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