양전자
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1. 개요
양전자는 1928년 폴 디랙의 이론적 예측을 통해 처음 제기되었으며, 전자의 반입자로서 전하가 양(+)인 입자이다. 1932년 칼 앤더슨에 의해 우주선에서 실험적으로 발견되었으며, 1936년 노벨 물리학상을 수상했다. 양전자는 베타 붕괴, 쌍생성 등을 통해 생성되며, 물질 내에서 전자와 만나 쌍소멸하여 감마선을 방출한다.
양전자는 PET(양전자 방출 단층 촬영) 스캐너, 입자 가속기 실험, 재료 과학 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히 PET는 암 진단 등 의료 분야에서, PAS(양전자 소멸 분광법)는 재료의 결함 연구에 사용된다. 또한, 양전자는 기본 입자이면서 반물질 중 가장 안정적이므로, 새로운 입자 발견 및 이론 검증을 위한 전자-양전자 충돌 실험에 활용되기도 한다.
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| 양전자 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 이름 | 양전자 (반전자) |
| 분류 | 기본 입자 |
| 통계 | 페르미온 |
| 그룹 | 렙톤 |
| 세대 | 첫 번째 |
| 상호 작용 | 중력 전자기 약한 |
| 반입자 | 전자 |
| 이론화 | 폴 디랙 (1928년) |
| 발견 | 칼 데이비드 앤더슨 (1932년) |
| 기호 | e+ β+ |
| 질량 | me }} 9.109 3826(16) × 10-31 kg 5.485 899 0945(24) × 10-4 u 0.510 998 918(44) MeV/c^2 |
| 평균 수명 | 안정적 (전자와 동일) |
| 붕괴 입자 | 해당 없음 |
| 전하 | +1 e + +e + 1.602 176 634 × 10−19 C |
| 색전하 | 없음 |
| 스핀 | ħ (전자와 동일) 1/2 |
| 스핀 상태 수 | 해당 없음 |
| 약한 아이소 스핀 | LH: 0 RH: |
| 렙톤 수 | -1 |
| 바리온 수 | 0 |
| 스트레인지니스 | 0 |
| 참 | 0 |
| 보텀니스 | 0 |
| 톱니스 | 0 |
| 아이소 스핀 | 해당 없음 |
| 약한 아이소 스핀_3 | 해당 없음 |
| 초전하 | 해당 없음 |
| 약한 초전하 | 해당 없음 |
| 카이랄리티 | 해당 없음 |
| B-L | 해당 없음 |
| X전하 | 해당 없음 |
| 패리티 | 해당 없음 |
| G패리티 | 해당 없음 |
| C패리티 | 해당 없음 |
| R패리티 | 해당 없음 |
2. 역사
1928년 폴 디랙이 디랙 방정식을 통해 양전자의 존재를 처음 예측했다. 1930년 캘리포니아 공과대학의 자오중야오가 양전자를 관측했으나, 그 의미를 파악하지는 못했다.
1932년 8월 2일 칼 데이비드 앤더슨은 우주선 실험에서 새로운 입자를 발견하고 '양전자'라고 이름 붙였다. 이 입자는 디랙이 예측한 입자와 동일한 것으로 확인되었다. 앤더슨은 우주선을 자석으로 둘러싸인 납 전극과 안개 상자를 통과시키는 방식으로 실험을 진행했다.[22]
드미트리 스코벨츠인이 1930년 이전 혹은 1923년 초에 양전자를 처음 관측했다는 주장도 있지만, 스코벨츠인은 이를 부인했다. 그는 안개 상자에 자기장을 추가하고 하전 입자 우주선을 발견하여 양전자 발견에 중요한 공헌을 했다.[16][17][18]
1929년 캘리포니아 공과대학교의 자오중야오는 양전하를 띤 입자를 발견했지만, 결과는 결정적이지 않았다. 앤더슨은 이후 자신의 발견이 자오중야오의 연구에서 영감을 받았다고 인정했다.[21]
패트릭 블랙켓과 주세페 오키알리니도 양전자를 발견했으나, 더 확실한 증거를 위해 발표를 늦췄다.[25]
2. 1. 이론적 예측
1928년, 폴 디랙은 디랙 방정식을 통해 전자가 양과 음의 에너지를 모두 가질 수 있음을 보였고, 이는 양전자의 존재를 예측하는 이론적 기반이 되었다.[1] 헤르만 바일은 디랙 방정식의 음의 에너지 해에 대한 수학적 의미를 논의했다.[2] 디랙은 음의 에너지 상태를 가진 전자가 마치 양전하를 띤 것처럼 행동한다고 주장하며, 디랙 바다의 개념을 제시했다.[3]로버트 오펜하이머는 양성자가 디랙 방정식의 음의 에너지 해가 아니라고 주장했다.[4] 바일은 음의 에너지 전자가 양의 에너지 전자와 같은 질량을 가져야 함을 보였다.[5] 1931년에 디랙은 전자와 질량은 같고 반대 전하를 가진 "반전자"의 존재를 예측했다.[6]
리처드 파인만과 어니스트 스투켈베르크는 양전자를 시간을 거꾸로 움직이는 전자로 해석했다.[7] 존 아치볼드 휠러는 단일 전자 우주 가설을 제시했다.[8] 남부 요이치로는 입자-반입자 쌍의 생성과 소멸을 입자의 시간 방향 변화로 해석했다.[9]
2. 2. 실험적 발견
1932년 8월 2일, 칼 데이비드 앤더슨은 우주선에서 새로운 입자를 실험으로 발견하고 양전자라고 이름붙였다.[22] 앤더슨은 이 공로로 1936년 노벨 물리학상을 수상했다.[23] 그는 "양전자"라는 용어를 직접 만들지는 않았지만, 1932년 말에 발견 논문을 제출한 ''피지컬 리뷰'' 저널 편집자의 제안을 받아들였다. 양전자는 반물질의 첫 번째 증거였으며, 앤더슨이 우주선을 안개 상자와 납판을 통과시켰을 때 발견되었다. 이 장치는 자석으로 둘러싸여 있어 입자가 전하에 따라 다른 방향으로 휘어졌다. 각 양전자에 의해 남겨진 이온 궤적은 사진 건판에 전자의 질량 대 전하 비와 일치하는 곡률을 나타냈지만, 전하가 양전하임을 보여주는 방향이었다.[24]
몇몇 자료에 따르면, 드미트리 스코벨츠인이 1930년 이전[10] 혹은 1923년 초에도 양전자를 처음 관측했다고 주장한다.[11] 이들은 스코벨츠인이 콤프턴 효과를 연구하기 위해 윌슨 안개 상자[12]를 사용하는 동안 전자처럼 행동하지만 인가된 자기장에서 반대 방향으로 휘어지는 입자를 검출했고, 1928년 7월 23일부터 27일까지 캠브리지 대학교에서 열린 회의에서 이 현상에 대한 사진을 발표했다고 말한다. 놀우드 러셀 한슨은 1963년 양전자 발견의 역사에 관한 그의 책[13]에서 이러한 주장의 이유에 대한 자세한 설명을 제시했으며, 이것이 그러한 속설의 기원이었을 수 있다. 그러나 그는 또한 부록에서 스코벨츠인의 이에 대한 반박을 제시했다.[14] 나중에 스코벨츠인은 이 주장을 "터무니없는 소리"라고 더 강하게 부인했다.[15]
스코벨츠인은 두 가지 중요한 공헌을 통해 양전자 발견에 결정적인 역할을 했다. 1925년[16] 안개 상자에 자기장을 추가한 것과, 칼 데이비드 앤더슨의 노벨 강연에서 인정받은 대로 하전 입자 우주선을 발견한 것이다.[17][18] 그는 1931년에 촬영한 영상에서 양전자 궤적일 가능성이 높은 것을 관측했지만,[19] 당시에는 그것을 양전자로 식별하지 못했다.
1929년 캘리포니아 공과대학교의 중국인 대학원생이었던 자오중야오는 전자처럼 행동하지만 양전하를 띤 입자를 나타내는 일부 이상한 결과를 발견했지만, 그 결과는 결정적이지 않았고, 이 현상은 더 이상 연구되지 않았다.[20] 50년 후, 앤더슨은 그의 발견이 캘텍 동기였던 자오중야오의 연구에서 영감을 받았다고 인정했다. 차오의 연구는 앤더슨의 많은 연구의 기초를 이루었지만 당시에는 인정받지 못했다.[21]
앤더슨은 회고록에서 자오중야오의 연구가 후속 연구를 거쳤더라면 양전자가 더 일찍 발견되었을 수도 있었다고 썼다.[20] 파리의 프레데리크와 이렌 졸리오퀴리는 앤더슨의 결과가 나왔을 때 오래된 사진에서 양전자의 증거를 가지고 있었지만, 그것을 양성자로 오인했다.[24]
양전자는 1932년 캐번디시 연구소의 패트릭 블랙켓과 주세페 오키알리니에 의해서도 동시에 발견되었다. 블랙켓과 오키알리니는 더 확실한 증거를 얻기 위해 출판을 연기했기 때문에 앤더슨이 먼저 발견을 발표할 수 있었다.[25]
3. 성질
양전자는 칼륨-40과 같은 방사성 동위원소의 β+ 붕괴 과정이나, 방사성 원자핵에서 방출되는 감마선이 물질과 상호작용할 때 쌍생성을 통해 생성된다.[26] 1.022 MeV 이상의 에너지를 가진 전자기파와 전자기장의 상호 작용에 의해서도 생성된다.
물질 내에 침입한 양전자는 물질 내 원자의 핵외전자(특히 원자가전자, 전도전자)와 쌍소멸하여 여러 개의 감마선을 방출한다.[33] 쌍소멸 전에는 준안정 상태의 전자-양전자쌍인 포지트로늄을 형성할 수 있다. 포지트로늄은 수소 원자와 같은 원자(원소 기호는 Ps)이다. 전자와 양전자의 스핀이 반평행인 단일항 상태를 파라포지트로늄(p-Ps), 스핀이 평행인 삼중항 상태를 오르토포지트로늄(o-Ps)이라 한다.
전자와 양전자의 쌍소멸로 방출된 감마선 에너지 분포를 관측하면 단결정 내 전자의 운동량 밀도 분포를 알 수 있다. 이는 이광자 소멸의 감마선이 원래 511.0 keV인데 도플러 효과에 의해 에너지가 증감하기 때문이다. 또한, 물질에 양전자가 입사하여 전자와 쌍소멸할 때까지의 시간 스펙트럼의 시정수를 양전자 수명이라고 하며, 양전자의 소멸률이 전자 밀도에 의존하기 때문에 양전자 수명을 조사하여 물질 내 공공형 결함 등을 매우 정밀하게 조사할 수 있다.
4. 생성
양전자는 자연적 혹은 인공적으로 생성될 수 있다.
자연적으로는 칼륨-40과 같은 방사성 동위원소의 β+ 붕괴 과정에서 생성된다.[33] 또한, 방사성 원자핵에서 방출되는 감마선이 물질과 상호작용할 때 쌍생성을 통해 생성될 수 있다.[26] 반중성미자는 자연 방사능(β− 붕괴)에 의해 생성되는 또 다른 종류의 반입자이다. 블랙홀과 중성자별은 천체 물질 분출에서 막대한 양의 양전자-전자 플라스마를 생성하며, 대규모 양전자-전자 플라스마 구름도 중성자별과 관련되어 있다.[34][35][36]
로렌스 리버모어 국립 연구소에서는 레이저를 이용하여 금 표적에 조사하여 다량의 양전자를 생성하는 실험을 수행하였다.[46] 2023년 CERN과 옥스퍼드 대학교의 공동 연구팀은 전자-양전자 쌍 빔을 생성하는 실험을 통해, 고밀도 '쌍 플라스마'를 실험실에서 생성하는데 성공하였다.[49]
4. 1. 자연 생성
양전자는 자연적으로 칼륨-40과 같은 방사성 동위원소의 β+ 붕괴 과정에서 생성된다.[33] 또한, 방사성 원자핵에서 방출되는 감마선이 물질과 상호작용할 때 쌍생성을 통해 생성될 수 있다.[26]반중성미자는 자연 방사능(β− 붕괴)에 의해 생성되는 또 다른 종류의 반입자이다. 많은 종류의 반입자는 우주선에 의해 생성되고 포함되어 있다. 2011년 미국 천문학회에서 발표된 연구에 따르면, 양전자가 뇌우 구름 위에서 기원하는 것으로 밝혀졌다. 양전자는 구름 속 강한 전기장에 의해 가속된 전자에 의해 생성되는 감마선 섬광에서 생성된다.[26]
블랙홀과 중성자별은 천체 물질 분출에서 막대한 양의 양전자-전자 플라스마를 생성한다. 대규모 양전자-전자 플라스마 구름도 중성자별과 관련되어 있다.[34][35][36]
우주가 매우 뜨겁고 밀도가 높았던 바리온 생성 기간 동안에는 물질과 반물질이 지속적으로 생성되고 소멸되었다. 남아 있는 물질의 존재와 검출 가능한 남아 있는 반물질의 부재, 즉 바리온 비대칭성은 CP 대칭성 깨짐으로 설명된다.[29]
4. 2. 인공 생성
로렌스 리버모어 국립 연구소의 물리학자들은 짧고 초강력 레이저를 이용하여 밀리미터 두께의 금 표적에 조사하여 1,000억 개가 넘는 양전자를 생성했다.[46] 현재, 5 MeV 양전자-전자빔의 상당한 양을 실험실에서 생산하여 다양한 특성, 예를 들어 서로 다른 원소가 5 MeV 양전자 상호작용 또는 충격에 어떻게 반응하는지, 에너지가 입자에 어떻게 전달되는지, 그리고 감마선 폭발의 충격 효과 등을 조사할 수 있다.[47]2023년, CERN과 옥스퍼드 대학교의 공동 연구팀은 HiRadMat 시설[48]에서 나노초 지속 시간의 전자-양전자 쌍 빔을 생성하는 실험을 수행했다. 이 빔은 10조 개가 넘는 전자-양전자 쌍을 포함하고 있어, 집단 플라스마 거동을 지지할 수 있을 만큼 충분한 밀도를 가진 최초의 '쌍 플라스마'를 실험실에서 생성했다.[49] 향후 실험에서는 감마선 폭발, 빠른 전파 폭발 및 블레이저 제트와 같이 풍부한 전자-양전자 쌍이 생성되는 극한의 천체 환경과 관련된 물리학을 연구할 수 있는 가능성을 제공한다.
5. 응용
양전자는 양전자 방출 단층촬영(PET) 스캐너, 전자-양전자 붕괴 실험, 양전자 상쇄 분광기(물질 조사) 등에 활용된다. 양전자 방출 단층촬영(PET) 스캐너는 병원에서 사용되며, 전자-양전자 붕괴 실험과 양전자 상쇄 분광기는 각각 가속물리학 실험실과 물질 조사에 쓰인다.
양전자는 반물질 중 가장 안정된 기본입자이므로, 전자-양전자 충돌실험을 통해 새로운 이론을 검증하기 쉽다. 다만 높은 에너지의 전자와 양전자를 얻기 힘들다는 단점이 있다.
5. 1. 의료
양전자 방출 단층촬영(PET)은 양전자를 방출하는 방사성 동위원소를 이용하여 체내 대사 활동을 영상화하는 기술이다.[51] PET 스캐너는 병원에서 사용되며, 양전자를 방출하는 방사성핵종(추적자)에서 간접적으로 방출되는 감마선을 감지하여 인체 내 신진대사 활동의 상세한 3차원 이미지를 생성한다.[51]의료 분야에서 PET는 암 발견에 활용된다. 이는 양전자 방출 핵종으로 표지된 생체 분자의 분포와 대사를 방사능의 공간 분포 및 시간적 변화를 통해 영상화하는 기법이다. 일본에서는 암 진료뿐 아니라 암 검진에도 활용되고 있으나, 이에 대한 찬반론이 존재한다.
5. 2. 재료 과학
양전자 소멸 분광법(PAS)은 재료 연구에서 고체 재료 내부의 밀도 변화, 결함, 변위 또는 공극을 감지하는 데 사용되는 실험 도구이다.[52] 양전자가 물질에 입사하여 전자와 쌍소멸할 때까지의 시간 스펙트럼의 시정수를 양전자 수명이라고 하며, 이를 조사함으로써 물질 내의 공공형 결함 등을 매우 고감도로 조사할 수 있다. 이는 양전자의 소멸률이 전자 밀도에 의존하기 때문이다.반도체의 공공형 결함 검출(밀도 및 종류 측정)이나 고분자의 자유 체적 측정 등에도 활용될 수 있지만, 주로 연구실 수준에서 사용되고 있으며, 산업적 활용 기반은 충분히 개척되지 않았다. 이는 데이터 해석에 전문적인 지식이 필요하고, 쉽게 구할 수 있는 시판 장비가 존재하지 않는 등의 이유 때문이다.
5. 3. 기초 과학
전자-양전자 충돌실험을 통해 새로운 입자를 발견하거나 이론을 검증한다. 특정 종류의 입자 가속기 실험에서는 상대론적 속도로 양전자와 전자를 충돌시키는데, 이러한 물질/반물질 입자들의 높은 충돌 에너지와 상호 소멸은 다양한 아원자 입자들을 만들어낸다. 물리학자들은 이러한 충돌의 결과를 연구하여 이론적 예측을 검증하고 새로운 종류의 입자를 찾는다.ALPHA 실험은 반수소의 특성을 연구하기 위해 양전자와 반양성자를 결합한다.[50]
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