반물질

[시냇물]

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반물질

반물질

반물질(antimatter)은 반입자(antiparticle)로 구성된 물질을 뜻한다.

모든 입자는 그에 해당하는 반입자가 있다. 예를 들어 전자의 반입자는 양전자이다. 전기적으로 중성인 입자는 그 자신이 반입자인 경우도 있다. 예를 들어 광자의 반입자는 광자 자신이다. 그러나 중성자의 반입자는 다른 입자인 반중성자이다.

전자의 반입자가 양전자이지만 거꾸로 양전자의 반입자는 전자이다. 이처럼 입자-반입자는 서로 상대적인 개념이다. 그러나 통상적으로 특별한 언급이 없이 입자와 반입자를 대비시킬 때에는 전자나 양성자, 중성자와 같이 우리 주변에서 원자를 구성하는 것들만을 입자라고 부르고 이들의 반입자인 양전자, 반양성자, 반중성자 등만을 반입자라고 부른다. 이런 의미로 입자와 반입자를 사용했을 때 입자만으로 이루어진 것들을 물질이라 하고 반입자로 이루어진 것들을 반물질이라 한다. 예를 들어 우리 주변의 물질을 이루고 있는 원자는 가운데에 핵이 있고 바깥에 전자가 있다. 핵은 다시 양성자와 중성자로 구성된다. 그런데 이러한 원자의 반물질로 반원자를 생각할 수 있다. 반원자의 핵은 반양성자와 반중성자로 구성되고 바깥에는 전자 대신 양전자가 있는 것이다. 수소 원자의 반물질인 반수소(antihydrogen)를 1995년에 인공적으로 만든 바 있으며 핵으로 국한하면 1970년대에는 반헬륨-3, 2011년에는 반헬륨-4를 인공적으로 합성하는 데 성공하였다.

입자에 적용되는 물리 법칙과 반입자에 적용되는 물리 법칙은 거의 같으며 아주 약간의 차이만 있을 뿐이다. 네 가지의 기본 상호작용 중에서 약한 상호작용만이 이러한 입자-반입자 대칭성을 아주 약간 깨는 것으로 알려져 있다.

역사

그림 1. 앤더슨이 발견한 양전자. 가운데에 수평으로 있는 것이 납판이고 이것을 뚫고 지나가는 선이 양전자이다. (출처)
1928년에 영국의 물리학자 디랙(P. Dirac, 1902-1984)은 특수상대성이론과 양자역학을 결합하여 디랙 방정식을 만들었다. 이 방정식은 전자와 같이 스핀이 ½인 페르미온의 운동을 기술하는 방정식이다.

디랙은 1929년의 후속 논문에서 음의 에너지 상태가 모두 가득 차 있는 것이 에너지가 가장 낮으며 이것이 진공 상태라고 주장하였다. 그리고 여기에서 전자 하나가 에너지가 커져 양의 에너지 상태가 되면 음의 에너지 상태에는 '구멍'이 생기게 된다. 디랙은 이 구멍이 새로운 종류의 입자라고 생각하였다. 1931년 디랙은 이 입자가 전자와 질량 및 스핀은 같고 전하의 부호만 다른 입자라고 주장하고 처음으로 반입자의 존재를 예측하였다. 디랙의 이러한 예측은 1932년 앤더슨(C. Anderson, 1905-1991)이 우주선(cosmic ray) 관측 실험을 통해 전자의 반입자인 양전자(positron)를 발견함으로써 검증되었다(그림 1). 그 뒤 양자장론이 발전함에 따라 모든 입자에는 반입자가 있다는 사실이 확고부동하게 정립되었다.

쌍소멸

전자와 양전자 쌍이 충돌하면 전하를 비롯하여 내부 양자수의 합이 0이 되므로 서로 소멸하여 한 쌍의 광자가 만들어질 수 있다. 이를 쌍소멸이라 한다. 즉 쌍소멸 반응은 이다. 마찬가지로 수소원자와 반수소원자를 충돌시키면 서로 소멸할 수 있다. 좀 더 일반적으로 어떤 물질 덩어리에 대해 그 구성입자들을 반입자로 정확히 바꾼 반물질 덩어리를 생각할 수 있는데 이런 물질과 반물질 쌍이 충돌하면 서로 소멸하면서 관계식에 의해 질량이 광자와 같은 에너지로 완전히 전환될 수 있다. 그러므로 만약 우리 주변에 혹시 반물질이 존재했었다 하더라도 이미 오래 전에 물질과 만나 소멸하고 현재는 물질만 남아있는 것이라고 이해할 수 있다.

반물질에 대한 우주론의 미해결 문제

실제로 우리가 관측할 수 있는 우주는 대부분 물질만 있고 반물질은 거의 없다. 그 이유는 우주 초기에 반물질이 주변의 물질과 만나 대부분 소멸했기 때문이고 추측할 수 있다. 그런데 이렇게 되기 위해서는 최초에 물질이 반물질보다 약간 더 많았어야 한다. 그래야 쌍으로 소멸된 이후에도 남은 물질이 현재의 우리 우주를 구성할 수 있기 때문이다. 왜 우주 초기에 물질이 반물질보다 더 많았었는지에 대해서는 여러 연구가 진행 중에 있으며 아직 완전히 알고 있지는 못하다. 이 미해결 문제를 중입자 생성(baryogenesis) 문제라고 한다.

반물질 폭탄

'천사와 악마'(댄 브라운 지음)와 같은 소설에 보면 반물질을 이용하여 폭탄을 만들 수 있는 것으로 나온다. 원리적으로 반물질 폭탄이 불가능한 것은 아니다. 그리고 일단 만들어진다면 그 위력은 과학이 허용하는 최고, 최후의 폭탄이 될 것이다. 물질이 순수하게 에너지로 변환되는 것이기 때문이다. 그러나 반물질 폭탄이 현실적으로 만들어질 가능성은 사실상 없다. 반물질을 폭탄으로 만들 수 있을 정도로 많이 만드는 것이 불가능할 뿐만 아니라 설령 만들었다 해도 안전하게 보관하는 것이 불가능하기 때문이다.


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반물질

반물질


1. 개요
反物質 / Antimatter

물질이 입자로 이루어진 것처럼, 일반 입자와 특정 성질이 반대인 반입자(反粒子)로 이루어진 물질이다.

2. 설명

성질이 반대라는 것은, 전하량을 예로 들자면, 전자의 전하량이 -1이라면 반물질인 양전자(포지트론)는 전하량이 +1인 것과 같다.

1928년 폴 디랙의 디랙 방정식으로부터 반물질의 존재가 예견되었고, 1932년에는 칼 앤더슨에 의해 반물질을 구성하는 반입자 중 하나인 양전자가 실제로 발견되었다. 더 무겁고 복잡한 반입자인 반양성자[3]는 1955년 가속기 실험을 통해 존재가 입증되었고, 반중성자는 1956년 캘리포니아대학 베바트론에서 6.2GeV에너지 충돌 실험 중에 발견되었다.

반물질은 실제로 존재하지 않는 것이라거나 이론상으로만 존재하는 것이라고 하는 잘못된 정보가 떠돌아다닌다. 그러나 반물질이 예견되고 발견된 것은 이미 20세기 초반의 일로, 실제로 존재하는 것임이 이미 오래전에 밝혀졌다.

3. 쌍소멸과 쌍생성

반물질은 물질과 닿으면 일으키는 쌍소멸(pair annihilation)로 유명하다. 이때 나오는 에너지는 E=mc²에 m을 넣고 2를 곱해주면 나온다. 미세한 차이가 있지만 거의 100% 전환된다고 해도 무방하다. 핵분열과는 비교가 안 되는 것이, 핵분열 반응은 원자량이 큰 원자핵이 다른 원자핵으로 분열되면서 분열되기 전 원자핵의 핵자 간 결합에너지와 분열된 후 두 원자핵의 핵자 간 결합에너지 차이만큼이 에너지로 나오므로 이때의 효율은 원재료 질량의 1퍼센트에도 한참 못 미친다. 하지만 쌍소멸반응에서는 일반적인 물질과 반물질의 거의 전체가 분해되고 분해된 만큼의 에너지가 튀어나오기 때문에 비교가 불가능하다. 그리고 원리상으로는 비슷한 핵융합과도 규모 면에서 비교가 안 되는데, 기본적으로는 핵융합과 쌍소멸이 비슷하나 수소 원자 네 개가 핵융합하면 헬륨이 생성되며, 이것 역시 남는 질량만큼만 에너지로 변한다. 핵융합은 1중 수소 네 개의 질량을 합친 값의 약 0.7%가 헬륨으로 융합할 때마다 에너지로 변환되어 나온다. 그러니 쌍소멸 반응에서 나오는 에너지가 압도적일 수밖에 없다.[효율]
포지트론(양전자) 1g이 물질과 반응해서 생성되는 에너지는 이론상 1.8×1014 J[7][8], 히로시마에 떨어진 리틀보이의 3배에 필적한다고 전해진다.[9]

이러한 물질과 반물질, 특히 주로 예시로 드는 정지상태의 전자와 양전자 간의 쌍소멸 시에는 빛 에너지 즉, 한 쌍의 광자가 생성된다. 이때 생성되는 광자는 쌍소멸 전의 전자와 양전자가 가지고 있던 각운동량과 에너지, 운동량이 보존되어야 한다. 이는 다시 말해 전자-양전자가 정지 상태에서 쌍소멸이 일어났다면 두 입자의 운동량의 합은 필연적으로 0이 된다. 따라서 쌍생성 후 방출되는 광자의 전체 운동량의 합도 역시 0이 되어야 한다. 그런데 광자의 속도는 c로 일정하여야 하기 때문에[10][11] 방출되는 광자의 운동량의 합이 0이 되려면 서로 반대되는 방향으로 운동하는 두 개의 광자, 즉 한 쌍의 광자가 방출되어야 한다.

반대로 쌍소멸이 아닌 쌍생성(pair production) 과정도 존재하는데, 이는 위에서 설명한 쌍소멸과 반대로 큰 에너지를 가진 광자가 상호 작용하여 기본 입자(대표적으로 전자)와 그에 반대되는 반물질 입자(양전자) 쌍을 만드는 것이다. 이 과정 또한 생성 전후의 운동량과 에너지, 물리량 등이 보존되어야 한다. 상온, 공기 중에서도 입자와 반입자만 있으면 손쉽게 일어나는 쌍소멸과는 다르게 쌍생성은 상당히 혹독하고 극단적인 환경에서만 주로 일어난다. 가장 대표적인 것이 페타와트급 첨두출력의 레이저를 집속시켜 두 개의 광자를 충돌시켜 전자와 양전자가 쌍으로 만들어지는 Breit-Wheeler 효과다.

불확정성 원리에 따르면 아무것도 없어도 전자-양전자 쌍이 쌍생성됐다 다시 합쳐지며 쌍소멸하는 현상이 일어난다는 양자 요동 또는 양자 떨림(Quantum Jitter)이 가능할 수 있다. 이러한 전자-양전자 쌍이 유지되는 시간은 극히 짧지만 블랙홀과 같이 특정한 조건이 주어지면 이러한 현상을 관측할 수 있다고 한다. 자세한 사항은 호킹 복사 문서로.

양전자는 간혹 전자와 만나 쌍소멸하지 않고 포지트로늄이 되기도 한다.

4. 제조

반중성자, 반양성자같은 반물질의 일반적인 생성 방법은 중이온가속기 같은 입자가속기로 만드는 것이다. 상대적으로 질량이 더 많이 작은 양전자는 집속시킨 페타와트 출력의 레이저를 시편에 입사시켜도 제법 생성된다.

이에 대한 연구가 활발히 진행 중인데 2004년에 CERN(유럽입자핵공동연구소)에서 1조분의 몇 그램 정도를 만들어 냈다. 1년 동안 만들어도 100W 전구를 3초 정도 밝힐 수 있는 정도의 양이었는데, 미량이나마 반양성자의 존재를 확인한 데에 의의가 있다.

이후 2008년에 미국의 로렌스 리버모어 국립연구소에서 강력한 레이저를 이용한 입자가속기로 천 억(1011)개가 넘는 반양성자를 만들어냈다. 물론, 0℃, 1기압에서 200mL짜리 우유 팩 하나에 들어 있는 기체 분자가 약 53해 7400경(5.374×1021)개라는 것을 감안하면 아직도 갈 길이 아득히 먼 수준. 이처럼 만들기 어렵기 때문에 가격도 비싸다. 1g당 약 7경 원[12]으로 오가네손 다음으로 비싸다. 같은 질량의 금값보다 약 1조 배 비싸다.

2011년 미국 브룩헤이븐 국립연구소(BNL)의 STAR 그룹에서는 인류 역사상 가장 무거운 반물질 원자인 반헬륨(He-4)을 발견하였다.[13] 이는 네이처에 발표되었고, 국내에서는 부산대학교 유인권 교수팀이 연구에 참여하고 있다고 대서특필 되었다.

사실 쌍생성으로 인해 일상 자연환경에서도 반물질은 생성된다. 반입자 하나가 주변에 즐비한 입자와 만나서 쌍소멸로 에너지를 방출하게 되는 것처럼 어떤 에너지가 어떤 기회로 인해 쌍생성으로 이어지고 그에 해당하는 에너지만큼 반입자와 입자를 만들고서 남은 에너지를 각각 운동에너지로 가지고 진행하다가 다시 쌍소멸로 사라지는 것이 다반사이다. 우리 몸속에서도 아주 가끔 일어난다. 예를 들어 칼륨의 동위원소 중 하나인 K-40은 가끔 양전자를 내놓는 붕괴를 하기도 한다.[14] 하지만 이런 개별적인 현상은 절대적 에너지양이 매우 작기 때문에 해가 없다. 우리가 느끼지도 못할 만큼의 에너지인 것. 앞서 말한 1g의 경우에는 그 전체가 반물질로 이루어져 있기에 가능한 것이다. 따라서 이때 입자가속기를 쓰는 이유는 이런 기회를 보다 확실하게 하기 위해서인데, 단위 공간당 에너지를 최대한 밀집해서 더 높은 확률로 쌍생성을 얻어낼 수 있기 때문이다. 또한 입자가속기 특성상 전하 또는 반전하는 자기장으로 궤도를 일부 제어할 수 있는 데다가 거대한 감지기로 입자의 종류와 특성을 관측할 수 있는 이유도 있다.

이러한 반물질은 그냥 내버려두면 물질과 반대 전하를 갖고 있으니 서로 끌려서 쌍소멸해버리기 때문에 수명이 극히 짧다. 그러나 반중성자처럼 전기적으로 중성인 입자는 전기장의 영향을 거의 안 받기 때문에 포획이 엄청나게 어려워지므로 보관하는 것도 쉬운 일이 아니다. 현재는 강력한 자기장으로 진공상태의 병 내부에 띄워놓는 Penning trap 방식을 사용 중이며, 미래에는 반수소를 절대온도 가까이 얼려 반수소얼음으로 만들어 보관할 수 있을 것으로 기대된다. 이론상 반수소얼음은 반자성을 가져 강력한 자기장 내에서 공중에 뜨며, 온도가 너무 낮아 입자가 거의 정지해있어 물질과 쉽게 반응하지 않는다. 하지만 일부분이라도 반응하게 된다면 온도가 높아져 얼음이 녹고, 액체 혹은 기체가 돼서 반응도가 높아진 반수소가 더 많은 반응을 일으키는 재난을 일으킬 수 있다. 출처

보관에 관해서도 지속적으로 연구가 거듭되고 있는데, CERN에서 보관 시간을 계속해서 갱신해 나가는 중. 2011년 6월 5일 기준으로 1,000초(약 16분) 동안 보관시키는 데 성공했다. 기사 사실 반물질을 가두는 기술은 입자물리학보다는 진공과학에 영향을 받는다. 아무리 낮은 진공이라도 입자가 하나도 없을 수는 없기 때문에 쌍소멸하기 마련이기 때문.

반물질을 충분히 많이 생산할 수 있다면 ACMF나 빔코어 로켓엔진과 같은 로켓 추진장치로 사용 가능성이 열린다. 특히 쌍소멸 반응 입자를 추진제로 사용하는 빔코어 같은 경우 핵분열이나 핵융합과 비교할 수 없는 높은 효율을 가져 ISV 벤처 스타와 같은 항성 간 우주선을 가능케 할 수 있다.

입자가속기에서 반물질이 쌍소멸할때 나오는 에너지보다 더 많은 에너지를 주입해서 반물질을 만드는 과정을 고려할 때, 공학적으로 반물질은 배터리의 일종이라 볼 수 있다.

5. 반물질 우주

빅뱅에 관련된 이론 중에는 우주는 물질과 반물질의 자리다툼 끝에 태어난 것이라는 주장도 있다. 우주의 급속 팽창에 의해 물질과 반물질의 거리가 멀어지면서 국부적으로 균형이 무너졌다는 것이다. 에너지에서 물질이 하나 생성되면 반물질도 같이 하나 생성되므로 이론상 우주적으론 이 둘이 균형을 이뤄야 한다는 점에서 이러한 주장이 나왔다. 이 이론과 평행우주 이론을 조합하면서 순수하게 반물질만으로 이루어진 우주도 존재할 수 있다는 이야기를 하는 자도 있다. 사실 반물질과 물질은 성질이 전혀 다른 게 없거나 아예 반대이므로 반물질을 물질이라 하고 물질을 반물질이라 불러도 문제가 없다. 물질이 물질인 이유는 물질이 더 많기 때문이다.

물론 우리 우주 안에도 반물질만으로 이루어진 은하들이 있다고 하면 평행우주가 필요 없이도 이런 가정이 가능하다.[15]

현재는 빅뱅 당시 물질-반물질 생성이 동일하게 형성되었으나, 중입자 생성 과정에서 균형이 어긋나서 물질이 훨씬 많이 남았다는 쪽이 정설이다.

다른 가설도 있는데, 반물질은 시간이 거꾸로 흐르는 입자와 구별할 수 없는데, 빅뱅 당시 반물질이 생성되었다면 이 반물질은 시간을 역행해 빅뱅 이전으로 돌아간다는 것이다. 즉 빅뱅을 기준으로 우리의 우주와 함께 시간이 거꾸로 흐르는 우주가 탄생했고 그 우주에 반물질이 있다는 것.

6. 디랙의 바다

발견되기 전에 이론적으로 존재가 예견되었는데, 폴 디랙이 상대론을 어느 정도 반영한 형태로 양자 역학에서 쓰이는 방정식을 수정했을 때 에너지(전하가 아니다.)가 플러스인 전자와 마이너스인 전자를 근으로 얻었다.(양쪽 모두 전하는 마이너스이다.) 처음에는 질량이 마이너스일 수 없다는 이유에서 무시되었지만, 이후 그 의미를 다시 해석해서 양전자의 존재를 예측하게 되었다. 물론 질량이 마이너스인 전자 자체가 양전자인 것은 아니다. 음의 에너지를 가진 전자가 모든 가능한 위상공간을 차지하고 있으며, 이것을 '디랙의 바다'라고 부른다. 여기에 에너지를 주면 에너지가 낮은 전자가 에너지를 받아서 보통의 전자가 되고, 그 '전자가 빠져나가면서 음의 에너지 위상에 생기는 구멍'이 질량은 플러스인 양전자가 된다는 설명이다. 쉽게 얘기하면, 물통에 물을 가득 채워넣고 물방울을 떼어내서(에너지를 줘서) 공기에는 물방울(전자)을 만들고 물에는 공기 방울(양전자)을 만든다고 생각하면 된다.

이는 어디까지나 폴 디렉의 설명이며, 현재는 이런 방식으로 반물질을 설명하지는 않는다고 한다.[16] 더 수학적으로 복잡하지만 완성도가 높은 방법으로 설명한다고. 좀 더 자세히 설명하자면 디랙 장(Dirac field)을 두 파트로 쪼갤 수 있는데[17], 그 중 한 파트가 보통 물질에 해당하고 나머지 한 파트가 반물질에 해당한다.

이후 모든 물질에 대응하는 반물질이 발견되는데, 처음엔 전자만 이를 가진다고 생각해서 양전자라는 이름을 붙였으므로 전자의 반물질만이 특별한 이름을 가진다. 한국어에서도 반전자가 아니라 양전자라고 부르는 점에서 이를 어느 정도 반영하고 있다. 어느 정도.

사실 반물질 중에서 가장 안정한 것이 반전자이다. 반물질 중에서는 최초로 발견되었으며, 또 '물질'을 제외하면 유일하게 입자 가속기 외의 장소(우주)에서 최초의 발견이 이루어졌다.

7. 반물질 인간

우스갯소리로 상대방에게 악수를 위해 오른쪽 손을 내밀어 달라고 했을 때 왼손을 내민다면 당장 도망치라는 이야기가 있는데, 리처드 파인만의 <파인만의 물리학 강의> 1권에서 소개되기도 했다.

물론 농담에 불과하고, 실제로는 반물질로 이루어져 있으면서 왼쪽-오른쪽이 뒤바뀐 우주인 CP-반전우주는 존재할 수 없다. 그런데 반물질로 이루어져 있으면서 왼쪽-오른쪽이 뒤바뀌고 시간이 거꾸로 가는 우주, 즉 CPT-반전우주는 존재할 수 있다. 정말 보기 이상하기야 하겠지만, 현재로서는 이 우주가 불가능하다는 증거는 없다. 오히려 광학 이성질체로 이루어진 반전인간일 가능성이 높다.[18]

비슷한 예로, 거울 나라의 앨리스에서 만약 정말로 거울 속 세계가 존재한다면 거기에 있는 우유를 절대 마시면 안 된다는 얘기도 있다. 이 얘기가 처음 나온 것은 유당의 광학 이성질체에 관해서였다. 인체의 유당 분해 효소로는 광학 이성질체와 구조가 들어맞지 않아 분해가 불가능하기 때문. 물론 반물질에 대한 메타포로 이해할 수 없는 것도 아니다.

마찬가지로 만약 우주가 뫼비우스 띠처럼 생겼다면 우주를 한 바퀴 돌았을 때 물질이 반물질이 된다는 얘기도 있다. 근데 이것도 우스갯소리고, 만약 그렇게 된다고 해도 우리는 반물질을 물질이라 하고 물질을 반물질이라 하는 것일 뿐 아무런 문제가 없게 된다.
8. 일상 속에서[편집]
현대 과학에 따르면 우리 주변에서 쉴 새 없이 입자가 융합되고 분해된다고 한다. 이를 양자요동이라고 한다. 그렇기에 진공도 에너지는 0이 아니다.[19] 이에 관련된 또 다른 이론으로는 카시미르 효과가 있으며, 1/1000mm 정도 떨어진 2개의 금속 박지가 쌍생성, 쌍소멸로 인한 에너지 발생 효과 때문에 서로 끌려진다는 복잡한 이론이다. 결국, 카시미르 효과가 쌍생성, 쌍소멸이 존재한다는 증거로 확정되어 이론화되었다.[20]

다만, 카시미르 효과의 해석법은 반물질 외에도 에너지 밀도차로 인한 것이라는 해석도 있다. 그 내용은 다음과 같다.

공간에는 수많은 에너지준위를 지닌 전자기파동의 에너지가 가득 차 있다.(이는 불확정성 원리에 의해서 증명 가능) 평상시에는 이 모든 파장의 평균값은 0에 한없이 근접하므로 우리에게는 아무 영향이 없는데, 얇은 금속막의 금속면에서는, 그 지점에서 변위가 0이 되는 파장만이 통과할 수 있다.(전자기파 한정이지만 이론적으로는 다른 파장에도 적용 가능) 다만, 평상시에는 금속막의 반대쪽에도 에너지가 차 있으므로 에너지 밀도차가 없지만, 두 개의 금속막을 매우 얇은 간격으로 벌려놓게 될 경우, 두 금속막의 사이는 금속막으로 좌우에서 들어오는 에너지의 흐름이 걸러지기 때문에, 에너지 밀도가 작아서, 그 밀도차로 인해 서로 달라붙는다는 것이다.

STAR 실험팀이 반물질 헬륨-4 원자핵을 찾아냈다. 지금까지 발견된 반물질 중에서는 가장 무거운 것이다.#

2011년에, 지구에서 1만km 상공에(사실상 우주) 반물질 띠가 존재한다는 사실이 밝혀졌다.# 이는 지구 자기장에 의해 고에너지 입자들이 갇혀있는 밴앨런대에 반물질 또한 갇혀있다는 뜻이다 출처. 물론 하잘 것 없이 옅은 농도 때문에 우주선(spaceship) 등에 별 지장은 못 준다. 그런데 엉뚱하게도 아폴로가 실제였으면 우주선도 물질이므로 가다가 소멸해버린다는 식으로 아폴로 계획 음모론에 영향을 주었다.[21]

한 보고서에 따르면 지구 자기장에 갇혀있는 반물질은 수백 나노그램 정도로, 자기장 등으로 수집하면 연간 수 나노그램을 얻을 수 있을 것으로 전망된다. 태양계 내에서는 목성과 토성에서 자연 반물질이 더 많이 생성될 것으로 예측된다(연간 수 마이크로그램 정도). 보고서(4.6MB pdf파일)

의학 쪽 응용이 있다. 심지어 몸 속에서 쌍소멸을 일으키는 것을 활용한다. 소위 양전자방출단층촬영(PET; Positron Emission Tomography)이라고 불리는 기법이 그것이다. 이에 대한 간략한 설명은 다음과 같다. 대상자는 촬영 전 특별한 시약을 섭취하는데, 이 시약은 체내에서 대사가 활발한 지역에 모이는 특성을 지니며 한편 탄소-11이나 불소-18 같은 양전자 방출붕괴를 하는 원소를 포함한다. 사실 체내에서 전자-양전자 쌍소멸로부터 나오는 감마선은 신체 어디에서도 흔하게 방출되는 것이 아니기 때문에 이 감마선을 잡기만 해도 이게 체내 어디서 날아온 것인지 감지할 수 있다. 심지어 이 감마선은 쌍으로 방출되어 거의 정반대 방향으로 날아가기 때문에 신체로부터 온 것과 아닌 것을 구분하기도 쉽다. 위에서 반물질을 너무 폭탄처럼 서술했는데, 실제로도 일어나는 반응 및 방출되는 에너지가 끽해야 자연 방사선보다 훨씬 못한 정도에 지나지 않기 때문에 PET는 매우 안전한 방식이다. 이 기법이 개발되고 나서 의학용 영상기술에 지대한 발전이 일어났다.


챗 GPT에 물어보니

반물질은 일반 물질과는 정반대의 전하를 가진 입자들로 이루어진 물질입니다. 쉽게 말해, 일반 물질의 입자(예: 전자, 양성자)와 반대 특성을 가진 입자가 모인 것이라고 할 수 있습니다.

예를 들어, 우리 주변의 일반 물질은 양성자(양전하)와 전자(음전하)로 구성됩니다. 반면에, 반물질에서는 전자가 아닌 양전하를 가진 양전자가 있고, 양성자와는 반대인 음전하를 가진 반양성자가 있습니다.

반물질의 특징

1. 물질과 만나면 소멸: 반물질이 일반 물질과 만나면 서로 소멸하면서 엄청난 에너지를 방출합니다. 이 과정에서 둘의 질량이 에너지로 변하는데, 이는 아인슈타인의 E=mc² 식에 따라 큰 에너지를 방출하게 됩니다.

2. 우주에서 드물게 발견: 반물질은 자연 상태에서 드물게 존재하며, 인공적인 실험을 통해 짧은 시간 동안 생성할 수 있습니다. 그러나 이를 안정적으로 유지하기는 매우 어렵습니다.

3. 과학과 SF에서의 에너지원: 반물질의 특성 때문에 과학계와 SF에서는 고효율 에너지원으로 관심을 받고 있습니다. 이론적으로는 소량의 반물질도 막대한 에너지를 생산할 수 있어 우주 여행 등의 에너지원으로 활용할 가능성이 연구되고 있습니다.

쉽게 요약하자면, 반물질은 일반 물질과 반대되는 전하를 가진 물질로, 만나면 소멸하면서 큰 에너지를 발생시키는 특이한 물질입니다.