반수소

3. 특성

CPT 정리에 의해 반수소 원자는 수소 원자와 질량, 자기 모멘트 등 대부분의 특성이 동일할 것으로 추측된다.^[7] 예를 들어, 들뜬 반수소 원자는 일반 수소와 동일한 색상으로 빛날 것으로 예상된다. 반수소 원자는 일반 수소 원자가 경험하는 것과 동일한 크기의 힘으로 다른 물질 또는 반물질에 중력적으로 끌릴 것이다.^[2]

일반 원소와 반응하면 쌍소멸한다. 양전자(반전자)는 전자를 만나 감마선을 내며 쌍소멸한다. 반양성자는 양성자의 다른 쿼크와 결합하여 고에너지의 파이온을 형성한 뒤, 뮤온, 중성미자, 양전자, 전자의 물질로 쪼개진다. 반수소 원자가 완전 진공에 매달려 있다면, 무기한으로 생존해야 한다.

반원소로서, 수소와 정확히 동일한 특성을 가질 것으로 예상된다.^[10] 예를 들어, 반수소는 표준 조건에서 기체 상태일 것이며, 반산소와 결합하여 반물(H₂O|에이치투오^영어)를 형성할 것이다.

4. 생성

1995년, 발터 욀러트가 이끄는 CERN^[11] 연구팀이 찰스 문거 주니어, 스탠리 브로드스키, 이반 슈미트 안드라데가 처음 제안한 방법을 사용하여 최초의 반수소를 생성했다.^[12]

LEAR의 입자 가속기에서 나온 반양성자를 제논 클러스터에 발사하여 전자-양전자 쌍을 생성했다.^[13] 반양성자는 약 10^-19의 확률로 양전자를 포획할 수 있지만, 이 방법은 대량 생산에는 적합하지 않다.^[14][15][16] 페르미랩은 다른 단면적을 측정했지만,^[17] 이는 양자 전기역학의 예측과 일치한다.^[18] 두 경우 모두 매우 높은 에너지를 가진 뜨거운 반원자가 생성되어 상세한 연구에는 적합하지 않았다.

이후, CERN은 기본 대칭성 검사를 위해 저에너지 반수소 연구를 지원하기 위해 반양성자 감속기(AD)를 건설했다. AD는 여러 CERN 그룹에 반양성자를 공급하며, CERN은 분당 1,000만 개의 반양성자를 생산할 수 있을 것으로 예상한다.^[19]

일반 수소는 전자와 양성자 각 1개로 구성되는 반면, 반수소는 양전자와 반양성자 각 1개로 구성된다. 양전자와 반양성자는 일반적으로 가속기를 사용하여 높은 에너지의 입자로 생성되므로, 원자 냉각 기술 등을 사용하여 입자의 운동 에너지를 수십 켈빈의 열운동 수준 이하로 냉각시켜야 한다.

또한 생성된 반수소는 다른 입자와 반응하여 소멸되기 때문에, 고진공 자기 트랩 용기 내에서 양전자와 반양성자를 혼합한다. 자기장에 갇히는 것은 양전자의 스핀이 편극된 1S_c, 1S_d 상태의 반수소 원자뿐이다.^[33]

4. 1. 저에너지 반수소 생성

4. 2. 펄스형 반수소 생성

5. 반수소의 동위원소

반중수소(antideuterium^영어), 반삼중수소(antitritium^영어), 반헬륨(antihelium^영어)과 같은 더 큰 반물질 원자를 생성하는 것은 훨씬 더 어렵다.^[26][27] 반중수소, 헬륨-3의 반입자(antihelium-3^영어)^[28][29] 및 헬륨-4의 반입자(antihelium-4^영어) 핵^[30]은 해당 원자의 합성이 여러 기술적 난제를 야기할 정도로 매우 높은 속도로 생성되었다.

반수소(¹H) 외에도, '''반중수소'''(D 또는 ²H)와 '''반삼중수소'''(T 또는 ³H)가 각각 합성되었다. 하지만, 이것들은 원자핵만 존재하며, 양전자가 원자핵을 돌고 있는 상태가 아니므로 "반원자"라고는 할 수 없다.

6. 응용

CPT 정리에 의해 반수소 원자는 수소 원자와 질량, 자기 모멘트 등 대부분의 특성이 동일할 것으로 추측된다. 예를 들어, 들뜬 반수소 원자는 일반 수소와 동일한 색으로 빛날 것으로 예상된다. 반수소 원자는 일반 수소 원자가 경험하는 것과 동일한 크기의 힘으로 다른 물질 또는 반물질에 중력적으로 끌릴 것이다.^[2]

반수소가 일반 물질과 접촉하면 구성 요소는 빠르게 쌍소멸한다. 양전자는 전자와 소멸하여 감마선을 생성한다. 반대로, 반양성자는 중성자 또는 양성자 내의 쿼크와 결합하는 반쿼크로 구성되어 고에너지 파이온이 발생하며, 이는 빠르게 뮤온, 중성미자, 양전자, 전자로 붕괴된다. 반수소 원자가 완전 진공에 매달려 있다면, 무기한으로 생존해야 한다.

반원소로서, 수소와 정확히 동일한 특성을 가질 것으로 예상된다.^[10] 예를 들어, 반수소는 표준 조건에서 기체 상태일 것이며, 반산소와 결합하여 반물(H|에이치^영어₂O|오^영어)을 형성할 것이다.

참조

_[1] 뉴스 Antimatter atoms are corralled even longer https://www.bbc.com/[...] 2023-09-28
_[2] 논문 Antimatter held for questioning
_[3] 웹사이트 eiroforum.org – CERN: Antimatter in the trap http://www.eiroforum[...] 2014-02-03
_[4] 웹사이트 Internal Structure of Antihydrogen probed for the first time http://physicsworld.[...] 2012-03-07
_[5] 논문 Ephemeral antimatter atoms pinned down in milestone laser test http://www.nature.co[...] 2016-12-19
_[6] 논문 Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen http://discovery.ucl[...] 2016-12-19
_[7] 간행물 The Coolest Antiprotons http://focus.aps.org[...] 2010-07-02
_[8] 간행물 Antihydrogen trapped for a thousand seconds http://www.technolog[...] 2014-03-18
_[9] 웹사이트 Application of New Relativistic Quantum Wave Equation on Hydrogen Atom and its Implications on Antimatter Gravitational Experiments https://www.research[...]
_[10] 뉴스 Antihydrogen undergoes its first-ever measurement https://www.bbc.co.u[...] 2012-03-14
_[11] 뉴스 Antiatoms: Here Today ... http://discovermagaz[...] 1997-01
_[12] 논문 Production of relativistic antihydrogen atoms by pair production with positron capture 1994
_[13] 논문 Production of Antihydrogen http://ikpe1101.ikp.[...]
_[14] 논문 Pair production with atomic shell capture in relativistic heavy ion collisions http://faculty.tamuc[...]
_[15] 논문 Electromagnetic processes in relativistic heavy ion collisions http://juser.fz-juel[...]
_[16] 논문 Electromagnetic Pair Production with Capture http://edoc.unibas.c[...]
_[17] 논문 Observation of Atomic Antihydrogen Fermi National Accelerator Laboratory 1997-12
_[18] 논문 Antihydrogen production and accuracy of the equivalent photon approximation
_[19] 논문 Cold antihydrogen: a new frontier in fundamental physics
_[20] 논문 Production and detection of cold antihydrogen atoms https://cds.cern.ch/[...]
_[21] 논문 Driven Production of Cold Antihydrogen and the First Measured Distribution of Antihydrogen States http://juser.fz-juel[...]
_[22] 논문 Cooling neutral atoms in a magnetic trap for precision spectroscopy
_[23] 논문 Trapped antihydrogen
_[24] 논문 Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds
_[25] 논문 Pulsed production of antihydrogen
_[26] 논문 Experimental observation of antideuteron production
_[27] 논문 Observation of Antideuterons 1965-06
_[28] 논문 Observation of antihelium3 (in Russian)
_[29] 논문 Antihelium-3 production in lead-lead collisions at 158 ''A'' GeV/''c''
_[30] 논문 Observation of the antimatter helium-4 nucleus
_[31] 논문 Production and detection of cold antihydrogen atoms https://www.nature.c[...]
_[32] 논문 Observation of the 1S-2S transition in trapped antihydrogen https://www.nature.c[...]
_[33] 논문 Investigation of the fine structure of antihydrogen https://www.nature.c[...] 2020-02