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오늘 우연히 반수소라는 용어를 접하고 무슨 내용인가 궁금해서 보게 되었습니다. 물질과 반물질은 블랙홀의 호킹복사
를 언급하면서 회피할 수 없는 부분인데요, 여기서 더 흥미로운 내용이 보여서 공유하고자 올립니다.
재미있게 보시고 즐거운 별생활 되세요.
CERN scientists get the first glance of the innards of anti-matter
CERN학자들이 반물질의 속을 처음으로 힐끗 보다
반수소의 분광을 뚫어져라 본 뒤, 우리는 물질의 그림자 쌍둥이를 이해하는데 한 발 더 가까이 다가가게 된 것 같다-그리고 왜 그렇게 찾기가 힘든지도.
By Alison Klesman | Published: Tuesday, December 20, 2016
반물질은 엔지니어가 Enterprise호에 동력을 공급하는 공상 과학 개념 그이상이다. 비록 작기는 하지만 실제로 우리 우주의 구성성분이다. 반물질이 드물기는 하지만, 적당한 환경에서 존재할 수 있다. 반물질의 행동 방식에 대한 정보가 현재 우리가 이해하는 입자물리학의 표준모델을, 입자들이 행동하는 방식을 지배하는 힘에 대해, 시험하는 강력한 도구를 제공한다,
반물질은 영국 물리학자인 Paul Dirac이 1928년에 처음으로 예측하였다. 모든 물질의 입자는 상응하는 반입자를 갖아야만 한다고 제안하였다. 이 반입자들은 극성만 빼고 모든 면에서 다른 한쪽 입자와 동일하다. 예를 들면, 음전하를 띄는 전자의 다른 한쪽 반물질은 양전하를 띄는 반전자(antielectron)이고, 또한 양전자(positron)라고 불린다. 물질과 반물질이 만나면, 그들은 서로 파괴되고 단지 에너지만 뒤에 남는다. 빅뱅은 똑같은 양의 물질과 반물질을 만들었지만, 요즘, 우리 우주는 물질이 우세하고 반물질은 현재 거의 없다. 왜 이런 불균형이 존재하는지를 이해하는 것은 우리 우주의 근원과 발달에 대한 이해를 향해 나가는 중요한 단계이다. 그러나, 자연에서 생겨나는 반물질은 우주에 널린 풍부한 물질과 만나면서 종종 즉시로 파괴된다. 요즘, 입자물리학자들은 CERN Antiproton Decelerator facility에서 연구를 위해 반물질을 일상적으로 만들어낼 수 있다. 그래서 반물질의 특징에 대한 몇몇 획기적인 새로운 발전을 이루었다.
최근에 Nature지에 출판된 논문에서, CERN’s ALPHA 합동작업은 반수소원자(antihydrogen)의 분광선을 정말 처음으로 측정하였다고 보고하였다. 20년이 넘게 걸려서 만들어낸, 이 결과는 레이져를 사용하여 반수소의 1S-2S 전이를 관찰하여 얻은 성과이다. 표준모델이 요구하는 조건의 실험 범위 안에서, ALPHA 합동작업의 결과는 수소와 반수소 원자들 모두에서 이 전이가 같다는 것을 보여준다. 이 전이(transition)가 서로 다르다면, 우리가 현재 이해하고 있는 물리학을 근본적으로 깨뜨리는 것이다.
1S-2S 전이(transition)는 수소분광을 나타내는 많은 것 중에 하나이다. 분광은 복사에 의해 전자가 여기(excite)되었다가 원자 안에서 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 떨어지면서“fall” 나타난다. 이 과정에서 에너지는 정확한 파장을 내놓는다. 각 원소는, 손가락 지문처럼, 독특한 분광을 나타낸다. 종종 학자들은 빛이 내는 분광을 활용하여 대상의 구성성분을 결정한다.
반수소에서 1S-2S의 전이를 관측하기 위해, ALPHA 합동작업은 처음으로 반원자들을 만들어서 안전하게 유지했다- 결코 쉬운 일이 아니다. 반수소원자들을 생산하기 위해 반양성자와 양전자를 포함하고 있는 플라스마를 함께 혼합하는 방식을 ALPHA는 택했다. 결과적으로 생긴 반원자들은 실험을 위해 자장을 걸어서 붙들어두었다. 원래 90,000개 반양성자 덩이에서, 연구자들은 25,000개의 반수소원자들을 만들었고; 이중에서, ALPHA 합동작업은 한 번에 평균 14개의 반원자를 가지고 연구에 썼다. 적절한 전이를 일으키는데 필요한 에너지를 정확하게 제공하기 위해 조절된 레이져를 반수소 원자들에 비추어, 정상 수소의 분광에서 나오는 굴곡을 보이는 방출선을 연구자들은 관측할 수 있었다.
ALPHA 합동작업의 결과는, ASACUSA와 BASE 협동작업으로 수행해낸 반물질 실험결과와 함께, CERN에서 얼마나 반물질 연구가 진척이 되었는지를 보여준다. ALPHA 합동작업은 미래에 표준모델의 훨씬 더 견고한 실험을 위해 그들의 결과의 정확성을 더 정제할 계획이다. 그런 높은 정확성의 반물질 실험은 우리가 우리 우주에서 관측하는 물질-반물질의 불균형에 빛을 비추는 결과가 될 것이다.
(원문)
CERN scientists get the first glance of the innards of anti-matter
By peering into the spectra of anti-hydrogen, we may come one step closer to understanding matter's shadowy twin — and why it's so hard to find.
By Alison Klesman | Published: Tuesday, December 20, 2016
Antimatter is more than a science fiction concept that allows engineers to power the Enterprise. It’s an actual — albeit small — constituent of our universe. While antimatter is rare, it can exist under the right conditions. Information about the way antimatter behaves provides a powerful tool for testing the Standard Model of particle physics we currently use to understand the forces that govern the way particles behave.
Antimatter was first predicted by British physicist Paul Dirac in 1928. He proposed that every particle of matter should have a corresponding antiparticle. These antiparticles are identical to their particle counterparts in every way except for charge. For example, the antimatter counterpart to the negatively-charged electron is the positively-charged antielectron, also called the positron. When matter and antimatter meet, they annihilate each other and leave only energy behind. The Big Bang should have created matter and antimatter in equal amounts, but today, our universe is dominated by matter, with very little antimatter present. Understanding why this asymmetry exists would be a significant step towards understanding the origin and evolution of our universe. However, naturally-occurring antimatter is often immediately destroyed when it encounters the universe’s abundant matter. Today, particle physicists can routinely create antimatter for study at the CERN Antiproton Decelerator facility, which has led to several new breakthroughs in the characterization of antimatter.
In a recently-published Nature article, CERN’s ALPHA collaboration has announced the very first measurement of a spectral line in an antihydrogen atom. This result, which was over 20 years in the making, was achieved using a laser to observe the 1S-2S transition in antihydrogen. To within experimental limits, the ALPHA collaboration’s results show that this transition is identical in both hydrogen and antihydrogen atoms — a condition required by the Standard Model. If these transitions were different, it would essentially break our current understanding of physics.
The 1S-2S transition is one of many that contribute to hydrogen’s spectrum. A spectrum is created when electrons that have been excited by radiation “fall” from a higher energy level inside an atom to a lower one. This process releases energy at precise wavelengths. Each element produces a unique spectrum, like a fingerprint. Astronomers often use spectra to determine an object’s composition based on the light it produces.
To observe the 1S-2S transition in antihydrogen, the ALPHA collaboration first had to create antiatoms and keep them stable — no easy task. ALPHA’s recipe for antihydrogen consisted of mixing plasmas containing antiprotons and positrons together to produce antihydrogen atoms. The resulting antiatoms were then magnetically trapped to hold them for experimentation. From an original batch of 90,000 antiprotons, researchers could create 25,000 antihydrogen atoms; of these, the ALPHA collaboration managed to trap and study an average of 14 antiatoms per trial. By illuminating the antihydrogen atoms with a laser tuned to provide exactly the energy needed to achieve the proposed transition, researchers were then able to observe the resulting emission to look for deviations from the spectrum of normal hydrogen.
The ALPHA collaboration’s result, along with the results from other antimatter experiments performed by the ASACUSA and BASE collaborations, shows just how far antimatter research has come at CERN. The ALPHA collaboration plans to further refine the precision of their results in the future for even more robust testing of the Standard Model. Such high-precision antimatter testing may also be able to shed light on the matter-antimatter asymmetry we observe in our universe.
출처
http://astronomy.com/news/2016/12/cern-scientists-get-the-first-glance-of-the-innards-of-antimatter