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쌍소멸

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목차

1. 개요

쌍소멸은 소립자와 반입자가 만나 소멸하며 다른 형태로 변환되는 현상이다. 전자와 양전자의 충돌은 감마선으로, 양성자와 반양성자의 경우 중간자를 생성한다. 단일 보손 생성, 전자-양전자 쌍소멸, 양성자-반양성자 쌍소멸, 힉스 입자 생성 등 다양한 과정이 존재하며, 에너지와 운동량 보존 법칙이 적용된다. 쌍소멸은 비유적으로 상반된 존재의 공멸을 나타내거나, 창작물에서 에너지원으로 활용되기도 한다.

2. 쌍소멸의 과정

소립자와 그 반입자가 쌍으로 합쳐지면, 원래의 소립자 2개는 소멸하고 다른 형태로 변환된다. 예를 들어 전자와 양전자(전자의 반입자. 전자와 같은 질량에 플러스 전하를 가짐)가 충돌하면, 각각의 정지 에너지(각각 511keV)와 운동 에너지의 합과 같은 에너지를 가진 광자로 변환되며, γ선으로 관측된다.[1] 방사성 동위 원소22Na는 약 511keV의 에너지를 가진 γ선원으로, 원자핵이 β+붕괴로 방출하는 양전자와 원자핵 주위 전자가 쌍소멸하여 광자로 변환될 때 발생한다.[1] 쌍소멸에서는 운동량이 보존되므로, 큰 운동 에너지가 없는 전자와 양전자가 쌍소멸하여 변환된 두 광자는 균등하게 분배된 정지 에너지를 가진다.[1]

양성자와 반양성자의 쌍소멸에서는 다수의 중간자가 발생한다고 알려져 있다.[1]

2. 1. 단일 보손 생성

초기 두 입자가 기본 입자인 경우, 이들은 단 하나의 기본 보손만을 생성할 수 있는데, 이는 광자(Photon영어), 글루온(Gluon영어), Z 보손, 힉스 보손(Higgs Boson영어)과 같다. 운동량 중심 좌표계에서의 총 에너지가 실제 보손의 정지 질량과 같다면( 광자와 같이 질량이 없는 보손의 경우 불가능), 생성된 입자는 수명에 따라 붕괴될 때까지 계속 존재하게 된다. 그렇지 않은 경우, 이 과정은 가상 입자인 보손의 초기 생성으로 이해되며, 이는 즉시 실제 입자 + 반입자 쌍으로 변환된다. 이것은 s-채널 과정이라고 불린다. 예를 들어, 전자와 양전자가 소멸하여 가상 광자를 생성하고, 이 가상 광자는 뮤온과 반뮤온으로 변환된다. 에너지가 충분히 크다면, Z 보손이 광자를 대체할 수 있다.

전자와 양전자(전자의 반입자. 전자와 같은 질량에 플러스 전하를 가짐)의 충돌에서는, 전자와 양전자는 각각의 정지 에너지(각각 511keV)와 그것들이 가진 운동 에너지의 합과 같은 에너지를 가진 광자로 변환되며, 이것은 γ선으로 관측된다.[1] 구체적인 예로, 약 511keV의 에너지를 가진 γ선원으로서 알려진 나트륨의 방사성 동위 원소22Na가 있다.[1] 원자핵이 β+붕괴에 의해 방출하는 양전자와 원자핵 주위에 존재하는 전자가 쌍소멸하여 광자로 변환된다.[1] 쌍소멸에서는 운동량이 보존되므로, 큰 운동 에너지를 가지지 않는 전자와 양전자의 쌍소멸에 의해 변환된 두 개의 광자는 균등하게 분배된 정지 에너지를 가지게 된다.[1]

양성자와 반양성자의 쌍소멸에서는 다수의 중간자가 발생한다고 여겨진다.[1]

2. 2. 전자-양전자 쌍소멸

저에너지 전자가 저에너지 양전자(반전자)와 소멸할 때, 가장 가능성이 높은 결과는 두 개 이상의 광자가 생성되는 것이다. 전자와 양전자가 생성할 수 있는 충분한 질량-에너지를 가진 다른 최종 상태의 표준 모형 입자는 중성미자뿐인데, 중성미자가 생성될 가능성은 약 10,000배 더 낮다. 하나의 광자만 생성되는 것은 운동량 보존에 의해 금지되는데, 하나의 광자는 관성 좌표계를 포함하여 총 운동량이 0이 되는 질량 중심 좌표계에서도 0이 아닌 운동량을 가지기 때문이다.[3]

소멸하는 전자와 양전자 모두 약 0.511 메가전자볼트(MeV)의 정지 에너지를 갖는다. 만약 그들의 운동 에너지가 비교적 무시할 만하다면, 이 총 정지 에너지는 생성된 광자의 광자 에너지로 나타난다. 각 광자는 약 0.511 MeV의 에너지를 갖는다. 운동량과 에너지는 모두 보존되며, 1.022 MeV의 광자 에너지(입자의 정지 에너지 포함)가 반대 방향으로 움직인다(계의 총 0 운동량을 설명).[3]

한쪽 또는 양쪽 전하 입자가 더 많은 운동 에너지를 가지고 있다면, 다양한 다른 입자들이 생성될 수 있다. 전자-양전자 쌍이 ''하나의'' 광자로 소멸(또는 붕괴)되는 것은 세 번째 전하 입자가 존재할 때 발생할 수 있으며, 여기서 과잉 운동량은 전자 또는 양전자로부터 가상 광자를 통해 전달될 수 있다. 역과정인, 단일 실제 광자에 의한 쌍생성 또한 세 번째 입자의 전자기장에서 가능하다.

전자와 양전자(전자의 반입자. 전자와 같은 질량에 플러스 전하를 가짐)가 충돌하면, 전자와 양전자는 각각의 정지 에너지(각각 511keV)와 그것들이 가진 운동 에너지의 합과 같은 에너지를 가진 광자로 변환되며, 이것은 γ선으로 관측된다. 매우 정밀한 약 511keV의 에너지를 가진 γ선원으로서 알려진 나트륨의 방사성 동위 원소22Na가 구체적인 예시이다. 원자핵이 β+붕괴에 의해 방출하는 양전자와 원자핵 주위에 존재하는 전자가 쌍소멸하여 광자로 변환된다. 쌍소멸에서는 운동량이 보존되므로, 큰 운동 에너지를 가지지 않는 전자와 양전자의 쌍소멸에 의해 변환된 두 개의 광자는 균등하게 분배된 정지 에너지를 가지게 된다.

2. 3. 양성자-반양성자 쌍소멸

양성자가 그 반입자인 반양성자와 만나는 경우, 전자-양전자 쌍소멸과는 달리 반응이 간단하지 않다. 양성자는 세 개의 "원자가 쿼크"와 글루온에 의해 묶인 불특정 수의 "해양 쿼크"로 구성된 복합 입자이기 때문이다. 따라서 양성자와 반양성자가 만나면, 일반적으로 원자가 쿼크 중 하나가 반쿼크와 소멸하여 글루온을 생성하고(해양 쿼크가 소멸되는 경우는 드물다), 이후 글루온은 나머지 쿼크, 반쿼크, 글루온과 함께 여러 개의 중간자(주로 파이온과 카오온)로 복잡하게 재배열되며 총 에너지와 운동량을 공유한다(이를 강입자화 또는 단편화라고 한다). 새로 생성된 중간자는 불안정하며, 다른 물질과 상호 작용하지 않으면 결국 광자, 전자, 양전자, 중성미자만 생성하는 일련의 반응으로 붕괴된다.[4]

이러한 유형의 반응은 쿼크 3개로 구성된 바리온과 3개의 반쿼크로 구성된 반바리온 사이에서 발생하며, 이 중 하나는 바리온의 쿼크에 해당한다. (바리온과 반바리온 중 적어도 하나가 구성 쿼크 맛을 공유하지 않을 정도로 이국적이라면 이 반응은 일어날 가능성이 낮다.) 반양성자는 중성자와 소멸될 수 있으며, 반중성자도 양성자와 소멸될 수 있다.

양성자-반양성자 소멸에서 최대 9개의 중간자가 생성되는 반응이 관찰되었으며, 이론적으로는 13개의 중간자가 생성될 가능성도 제기되었다. 생성된 중간자는 소멸 지점을 빛의 속도에 가까운 속도로 떠나며, 각 중간자 유형에 맞는 수명에 따라 붕괴된다.[4]

반핵자가 더 복잡한 원자 핵 내에서 소멸될 때도 유사한 반응이 일어난다. 다만, 생성된 중간자는 강한 상호 작용을 하므로 탈출하기보다는 남아있는 "관람자" 핵자 중 하나에 흡수될 가능성이 높다. 흡수된 에너지는 최대 ~2 GeV에 달할 수 있어, 이론적으로 가장 무거운 핵의 결합 에너지를 초과할 수 있다. 따라서 반양성자가 우라늄이나 플루토늄과 같은 무거운 핵 내부에서 소멸되면 핵의 부분적 또는 완전한 파괴가 발생하여 다수의 고속 중성자가 방출될 수 있다.[5]

2. 4. 힉스 입자 생성

매우 높은 에너지에서 두 핵자의 충돌 시, 바다 쿼크와 글루온이 상호 작용률을 지배하는 경향이 있어, 쿼크 쌍의 소멸 또는 두 글루온의 융합이 발생하기 위해 핵자가 반입자일 필요는 없다. 이러한 과정은 오랫동안 탐구해 온 힉스 보존의 생성에 기여한다. 힉스는 가벼운 (가치) 쿼크의 소멸에 의해 매우 약하게 직접 생성되지만, 무거운 top quark|탑 쿼크영어 또는 bottom quark|바닥 쿼크영어 바다 쿼크 또는 생성된 쿼크가 사용 가능하다. 2012년 제네바에 있는 CERN 연구소는 대형 강입자 충돌기 (LHC)에서 양성자-양성자 충돌의 잔해에서 힉스의 발견을 발표했다. 가장 강력한 힉스 수율은 두 글루온의 융합 (무거운 쿼크 쌍의 소멸을 통해)에서 나오며, 두 쿼크 또는 반쿼크는 생성된 가상 벡터 보존에 의한 힉스의 방출 또는 두 개의 그러한 벡터 보존의 소멸을 통해 더 쉽게 식별되는 이벤트를 생성한다.

3. 쌍소멸의 예시

Electron–positron annihilation영어

: 전자 + 양전자 → 감마선 + 감마선

저에너지 전자가 저에너지 양전자(반전자)와 소멸할 때, 가장 가능성이 높은 결과는 두 개 이상의 광자가 생성되는 것이다. 전자와 양전자가 생성할 수 있는 충분한 질량-에너지를 가진 다른 최종 상태의 표준 모형 입자는 중성미자뿐인데, 중성미자가 생성될 가능성은 약 10,000배 더 낮고, 하나의 광자만 생성되는 것은 운동량 보존에 의해 금지된다.[3] 소멸하는 전자와 양자 모두 약 0.511 메가전자볼트(MeV)의 정지 에너지를 갖는다. 만약 그들의 운동 에너지가 비교적 무시할 만하다면, 이 총 정지 에너지는 생성된 광자의 광자 에너지로 나타난다. 각 광자는 약 0.511 MeV의 에너지를 갖는다. 운동량과 에너지는 모두 보존되며, 1.022 MeV의 광자 에너지(입자의 정지 에너지 포함)가 반대 방향으로 움직인다(계의 총 0 운동량을 설명).[3]

다양한 에너지에서의 전자/양전자 쌍소멸


만약 한쪽 또는 양쪽 전하 입자가 더 많은 운동 에너지를 가지고 있다면, 다양한 다른 입자들이 생성될 수 있다. 게다가, 전자-양전자 쌍이 ''하나의'' 광자로 소멸(또는 붕괴)되는 것은 세 번째 전하 입자가 존재할 때 발생할 수 있다.

양성자가 그 반입자인 반양성자와 만나면, 그 반응은 전자-양전자 소멸만큼 간단하지 않다. 전자와 달리 양성자는 복합 입자이므로, 양성자가 반양성자와 만나면 일반적으로 원자가 쿼크 중 하나가 반쿼크와 소멸되어 글루온을 생성할 수 있으며, 그 후 글루온은 나머지 쿼크, 반쿼크 및 글루온과 함께 여러 개의 중간자로 복잡한 재배열 과정을 거친다.[4] 새로 생성된 중간자는 불안정하며, 다른 물질과 만나 상호 작용하지 않으면 결국 광자, 전자, 양전자, 중성미자만 생성하는 일련의 반응으로 붕괴된다.

소립자와 그 반입자의 쌍이 합쳐져 원래 소립자 2개는 소멸하고 다른 형태로 변환된다.

예를 들어 전자와 양전자(전자의 반입자)의 충돌에서는, 전자와 양전자는 각각의 정지 에너지(각각 511keV)와 그것들이 가진 운동 에너지의 합과 같은 에너지를 가진 광자로 변환되며, 이것은 γ선으로 관측된다. 구체적인 예로는 나트륨의 방사성 동위 원소22Na가 있다. 원자핵이 β+붕괴에 의해 방출하는 양전자와 원자핵의 주위에 존재하는 전자가 쌍소멸하여 광자로 변환된다. 쌍소멸에서는 운동량이 보존되므로, 큰 운동 에너지를 가지지 않는 전자와 양전자의 쌍소멸에 의해 변환된 두 개의 광자는 균등하게 분배된 정지 에너지를 가지게 된다.

4. 비유 및 창작물에서의 쌍소멸

"비슷한 것끼리 서로 사라지는 것"이나 공멸을 나타내는 속어로도 사용된다. 주인공과 그 라이벌, 색깔만 다른 캐릭터 등 겉보기에는 정반대지만 어딘가 근본적으로 같은 성질을 가진 것끼리 만나면 일어나기 쉽다.

또한 창작물의 세계에서는 게임 그라디우스의 빅 바이퍼나 애니메이션 신비한 바다의 나디아에 등장하는 노틸러스호 또는 Ν-노틸러스호의 동력원 등, 특별한 에너지의 원리로서 소재로 사용되기도 한다(일례로, 1995년 토에이 특촬 영화 인조인간 하카이다가 있다).

"쌍소멸"이라는 단어가 사용되기 전부터 비슷한 현상을 읊은 노래가 보이며, 만엽집 권 제3·319번에는 "타오르는 불을 눈이 끄고, 내리는 눈을 불이 끈다"는 현상을 "이름 붙일 수 없는 영묘함"이라고 느낀 내용이 나타난다.

참조

[1] 웹사이트 Antimatter http://www.lbl.gov/a[...] Lawrence Berkeley National Laboratory 2008-09-03
[2] 웹사이트 The Standard Model – Particle decays and annihilations http://particleadven[...] Lawrence Berkeley National Laboratory 2011-10-17
[3] 웹사이트 Radiation from particle annihilation http://www.fnal.gov/[...] Fermilab 2001-06-29
[4] 논문 The antinucleon–nucleon interaction at low energy: Annihilation dynamics
[5] 논문 Neutron yields and angular distributions produced in antiproton annihilation at rest in uranium https://cds.cern.ch/[...]


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