반물질은 중력에 영향을 받아 땅에 떨어질까? - 반물질과 중력의 관계 

[변강쇠]

반물질은 중력에 영향을 받아 땅에 떨어질까? - 반물질과 중력의 관계

반물질(anti-matter)은 실제 존재가 확인되었고, 물질과 전하(charge)와 스핀(spin)만 다르고 모든 것이 똑같습니다. 따라서 대부분의 과학자들은 반물질도 중력(gravity)의 영향을 받아 땅에 떨어질 것이라고 판단하고 있습니다. 물론 모든 과학자들이 그렇게 생각하는 것은 아닙니다. 일부 과학자들은 반물질은 중력에 영향을 받지 않거나 또는 반물질만의 독특한 중력법칙이 있거나 또는 오히려 밀어낼 수도 있다고 판단합니다.

만약 반물질이 중력에 영향을 받지 않는다면, 뉴턴의 중력법칙 그리고 아인슈타인의 상대성이론은 심각한 타격을 받게될 것입니다. 사실상 현대물리학의 수정이 불가피해집니다.

반물질은 생성시키기도 어렵지만, 일단 생성시키면 강력한 초전도 자기장안에 ​가둬둬야 합니다. 따라서 반물질의 중력을 측정한다는 것은 여러가지 이유로 어렵습니다.

입자(물질) 자체가 중력이 약해 중력에 영향을 받지 않으므로, 더구나 반물질도 역시 어느정도 질량이 나와줘야 중력 측정이 가능합니다. 반물질 중에서 그나마 질량이 나오고 생성시키기 가능한 입자인 반수소(anti-hydrogen)를 생성시켜야 하며, 그것도 단일입자형태라기보다는 반수소가 여러개 모여있는 반수소빔(anti-hydrog

en beam)의 형태입니다.

현재 해외의 연구소에서 ​반물질에 대한 중력 테스트를 계획하고 있습니다.

​AEGIS(이지스) 장치는 수평 반물질수소빔을 지구 중력장과 물질파 간섭장내에서 만들어 자유 낙하 시키는 것입니다. 시물레이션에서는 반물질의 중력가속도를 측정 가능성은 1%정도라고 나타냅니다. AEGIS는 2008년 CERN의 승인을 받았고 빠르면 2010년 착공하여 반수소의 중력 측정 장비가 될 것이라고 합니다. (​The goal of the AEGIS experiment (Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) is to create a horizontal beam of antihydrogen and to study its free fall in the Earth's gravitational field with a matter wave interferometry apparatus. Monte Carlo simulations have shown that a determination of the gravitational acceleration on antimatter of the order of 1% should be possible. The AEGIS proposal was submitted in January 2008 and approved by the CERN Research Board in December 2008. Construction will begin in early 2010.)

​"만약 반물질을 떨어뜨리면, 어느 쪽으로 떨어질까?" ("If you drop antimatter, which way does it fall?")

"이것은 힉스입자를 발견하는 것보다 큰 발견 아닐까요?" 조엘 파잔스는 대답했습니다. "당연하죠, 그것은 분명 물리학의 지난 20~30년간 가장 위대한 발견일 것입니다. 반물질이 아래로 떨어지지 않을 가능성은 낮습니다. 하지만 만약 우리의 예상과 달리 반물질이 중력에 다르게 끌린다면 그 보상은 엄청날 것입니다." (​"That would be the greatest revolution in physics in the past 20 to 30 years," says Joel Fajans, a physicist at the University of California–Berkeley. Bigger than the discovery of the Higgs boson? I ask him in disbelief. "Oh yeah, no question. There's a very low probability but an enormous reward if antimatter were to gravitate differently than we expect.")

​표준모형에서는 중력을 거의 다루지 않습니다. 우리는 실제로 반물질이 중력에 어떻게 대응하는지 본 적이 없습니다. 왜냐하면 반물질은 여러 가지로 매우 요상하며, 이것은 쉽고 흥미롭게 반물질이 반중력(antigravitate)할 수 있음을 예측하게 해줍니다. 반물질은 반항하며 위로 떨어지거나, 물질보다 근소하게 빨리 아래로 떨어질 수도 있습니다. (We know gravity is the weakest link in the standard model, and we've never actually seen what particles of antimatter do in response to gravity. Because antimatter is so weird in so many other ways, it's easy and exciting to speculate that antimatter could—just maybe—antigravitate. Antiparticles could be the ultimate rebels and fall up, or they may still fall down but be slightly faster than regular particles of the same mass. Take that, Galileo.)

​반수소가 어떻게 행동할지에 대한 몇가지 조건을 넣었습니다. 도저 팀은 반수소(반물질)가 일반 수소(물질)보다 100배 더 빨리 아래로 떨어지지(falling down) 않을 것이라는 것을 알아냈습니다. 그리고 또한 이론에서 예측하는 것보다 65배 더 빨리 위로 떨어지지도(falling up) 않을 것이라는 것도 알아냈습니다. 이것은 ALPHA가 할 수 있는 최선입니다. 이 장치는 중력 효과를 정확히 확인하기엔 충분하지 못합니다. 왜냐하면 실험실의 반수소는 너무 뜨겁기 때문입니다.(​They put some limits on how antihydrogen could be behaving. The team found that antihydrogen could not have been falling down more than 100 times faster than regular hydrogen, and it could not have been falling up more than 65 times faster than theory predicts. That's the best ALPHA can do for now. The experiment as it stands is not precise enough to directly see gravity's effect, in part because the antihydrogen made in labs is too darn hot.)

​반양성자 감속기(Antiproton Decelerator)가 양성자를 구리타켓에 쏘면 에너지가 변형되며 입자와 반입자가 생성됩니다. 반입자는 전하를 가지고 있기 때문에 거의 빛의 속도로 이동하는데 강력한 전기장을 통과하며 속도가 저하됩니다. 그런다음 ALPHA로 보내집니다. 여기서 반수소 원자를 모으고 자기장 트랩에 가둡니다.("Particle physicists have one main tool in our box: machines to smash things together," Doser says. At CERN, a machine called the Antiproton Decelerator shoots protons at a copper target, and the energy is transformed into particles and antiparticles. The resulting antimatter is moving at nearly the speed of light. Because the antiparticles have electric charge, sending them through intense electric fields will slow them down. The particles are then sent to machines such as ALPHA, where they are assembled into antihydrogen atoms and placed in magnetic traps.)

반수소가 너무 따뜻하면 단정한 곳에서 달리기 시작하며 이내 자기장 그물은 용해되기 시작하며 원자들은 도망가 버립니다. 원자들의 속도를 가지런히 정렬시키며 중력에 당김 영향을 받도록 충분히 냉각시키지 못하고 있습니다. (Even then, the antihydrogen is pretty warm and is racing around at a decent clip, so as soon as the magnetic net starts to dissolve, the atoms go flying off. ALPHA scientists haven't yet cooled their antiatoms enough to truly tease out the effects of the atoms' speed and gravity's pull.)

​도저 팀은 반물질을 진정시키기 위해 노력 중입니다. CERN의 AEGIS 장치는 올해말(2014년) 절대영도(0K)보다 1K 많은 온도로 냉각된 반수소원자를 만들 목표입니다. 극한에서 반물질 생성은 여전히 파악중이며 구체적인 설명은 회피하였습니다. 만약 이것이 가능하다면 2016년 최초로 반물질의 중력 실험이 진행될 것입니다.(Doser's team is working on another CERN machine, AEGIS, that will try to really chill out antimatter. The device should make antihydrogen later this year, with a goal of getting the atoms down to about 1 degree Kelvin above absolute zero. The trick to making such frigid antimatter is still being figured out, so Doser was shy about sharing the details. But if they can do it, he expects they will run their first gravity tests sometime in 2016.)

​도저는 반물질이 다르게 떨어지는 것에 대한 가능성은 희박하다고 생각합니다. 그러나 물리학을 통합하는데 있어서 반물질이 투쟁자로 쓰이지 않을때까지 포기하지 않을 것입니다. (Doser thinks the odds are slim that antimatter will fall differently, but no one is giving up until we're sure antimatter can't be used in the struggle to unify physics.)

<현대물리학은 반물질과 중력의 상호작용에 대한 정보가 없다. 만약 반물질이 중력에 영향을 받지않는다면 현대물리학은 대혼란에 빠진다. 이것은 우리가 모르는 새로운 물리학이 있다는 의미이다.>​

​순환법칙이 설명하는 반물질은 중력에 영향을 받아 땅에 떨어질까? - 반물질과 중력의 관계

반물질은 물질과 특성이 다르므로 중력에 영향을 아예 받지 않습니다. 물론 질량이 물질과 비슷하므로 중력에 아예 영향을 받지 않지도 않습니다. 따라서 반물질이 중력을 받는 것은 ​일시적인 현상입니다.

반물질은 물질적 특성이 없으므로 즉, 입자성이 없으므로 입자를 주도적으로 물질로 ​결합해내지 못합니다.

반물질은 반헬륨이상은 만들어내는게 사실상 어렵다는게 정설입니다. 즉, 그이상의 반물질은 인위적으로라도 만들기 어렵다는 것입니다.

다만 물질과 반물질은 공존하므로 자기장 또는 전기장을 이용하여 서로 변환시키거나 가둘 수 있습니다.

반물질의 중력을 측정하기 위해 반물질을 강력한 온도와 강력한 자기장에 가두는 것 자체가 일종의 트릭(trick)이 될 수도 있습니다. 즉, 순수한 반물질이 아니라 인위적으로 반물질을 물질화 시킨 것이기 때문입니다. 따라서 반물질을 물질화 시켜 중력을 측정하는 것도 진정한 의미에 반물질의 중력 테스트라고 하기엔 무리가 있을 수 있습니다. 반수소를 차갑게 한다는 것은 반물질을 페르미온 응축하여 결맞춤하겠다는 것입니다. 즉, 반물질을 응축하여 일시적으로 물질로 만든 것입니다. 그리고 초전도 자기장에 가둡니다. 이것이 과연 반물질의 순수한 중력 측정일까? 다만 어쩔 수 없이 그 방법 밖에 마땅히 없는 것 뿐입니다.

반물질 자체는 물질과 공존할 뿐, 물질의 질량을 구성하는 역할을 하지 않기 때문에 중력에 영향을 받지않아 뉴턴의 중력법칙과 아인슈타인의 상대성이론을 잘 따르지 않습니다. 따라서 미시세계의 입자 즉, 양자역학의 세계에서는 중력은 사실상 없는 힘인 이유도 물질을 구성하기 어려운 반물질이 물질과 잘 공존하기 때문입니다. 그리고 거시세계로 갈수록 물질과 반물질의 특성상 대칭성이 깨지기 시작하며 그때부터 중력이 서서히 등장하게 됩니다.

"입자들도 특성 즉, 체질에 따라 처방 즉, 물리법칙이 다르게 적용되어야 합니다. 다만 순환(음양상보성, 순환대칭)을 통해 시스템들은 통합될 뿐입니다."​

<참고문헌 및 출처 : Precision studies of antimatter (반물질의 정확한 연구)

​ Does Antimatter Fall Up? (반물질은 위로 떨어질까?)>

​<관련자료 : 상대성이론을 따르지 않는 반물질(Antimatter)>