반물질

3. 성질

반물질 입자는 물질 입자와 전하의 크기는 같지만, 부호는 반대이다. 예를 들어 반양성자는 음전하를 띠고, 반전자(양전자)는 양전하를 띤다. 중성자는 순 전하를 띠지 않지만, 구성 요소인 쿼크는 전하를 띤다. 양성자와 중성자는 +1의 바리온 수를 가지는 반면, 반양성자와 반중성자는 –1의 바리온 수를 가진다. 마찬가지로 전자는 +1의 렙톤 수를 가지는 반면, 양전자는 –1의 렙톤 수를 가진다.^[6][7][8]

반입자는 모든 전하(예: 전하와 중입자 전하)의 부호가 반대라는 점을 제외하면, 물질과 반물질은 정확히 동일한 성질을 갖는다는 강력한 이론적 근거가 있다.^[23][24] 이는 입자와 그에 상응하는 반입자가 동일한 질량과 붕괴 수명(불안정한 경우)을 가져야 함을 의미한다. 2016년 ALPHA 실험에서 반수소의 두 가지 가장 낮은 에너지 상태 사이의 전이를 측정하여 이를 실험적으로 검증했다. 수소의 결과와 동일한 이 결과는 반물질에 대한 양자역학의 타당성을 확인했다.^[26][27]

물질과 반물질의 중력적 거동에는 차이가 없다. 즉, 반물질도 떨어뜨리면 위로 올라가지 않고 아래로 떨어진다. 이는 2023년 9월, 국제 연구 그룹에 의해 확인되었다. 이전에는 반물질에 반중력이 작용한다는 추론도 일부 있었지만, 이 연구로 반중력은 존재하지 않는다는 것이 증명되었다.^[106]

물질과 반물질이 충돌하면 쌍소멸을 일으켜 질량이 에너지로 방출된다. 이는 반응 전의 물질과 반물질 자체가 완전히 없어지고, 소멸한 질량에 해당하는 에너지만 남는다는 것을 의미한다. 아인슈타인의 상대성이론에 따르면, 질량과 에너지는 등가이며, 두 관계는 “E = mc²”라는 식으로 표현된다. 예를 들어 1g의 질량은 약 의 에너지에 해당한다. 이는 TNT 화약 27킬로톤의 폭발 에너지와 같다. 은 2,500만 kWh와 같으며, 일반 가정의 한 달 소비 전력을 300kWh로 가정하면 약 6,900년 분의 소비 전력에 해당한다. 또한 은 20만 톤 이상의 얼음을 증발시킬 수 있는 에너지와 같다.

핵융합 등에서도 질량이 에너지로 방출되지만, 이 경우에는 반응 전 질량의 아주 작은 일부만이 에너지로 방출된다. 반면 물질과 반물질의 충돌에서는 반응 후 에너지 외에는 완전히 남는 것이 없으므로, 반응 전 질량 전체가 에너지로 방출된다. 따라서 물질과 반물질의 반응은 질량 대비 에너지 생산 효율이 매우 높다고 할 수 있다.

반물질은 자연계에는 거의 존재하지 않으며, 인공적으로 만드는 방법이 아니면 얻기가 매우 어렵다.^[107] 현재는 입자가속기라는 매우 거대한 장치를 사용하여 인공적으로 고에너지 입자를 만들고, 그것들을 충돌시켜 반입자를 만들어 포획함으로써 반입자를 얻고 있다.

4. 생성

반물질은 자연적 혹은 인공적으로 생성될 수 있다.

=== 자연 생성 ===

칼륨-40과 같은 방사성 동위원소의 β⁺ 붕괴 과정에서 양전자가 자연적으로 생성된다.^[36][37] 반중성미자는 자연 방사능(β⁻ 붕괴)에 의해 생성되는 또 다른 종류의 반입자이다. 우주선에도 다양한 종류의 반입자가 포함되어 있다.

2011년 미국 천문학회의 연구에 따르면 뇌우 구름 위에서 반물질(양전자)이 생성되는 것이 발견되었다. 양전자는 구름 속 강한 전기장에 의해 가속된 전자에 의해 생성되는 지상 감마선 섬광에서 생성된다.^[36][37] 반알렌대에서 PAMELA 모듈에 의해 반양성자 또한 발견되었다.^[38][39] 최근 관측 결과에 따르면 블랙홀과 중성자별은 제트를 통해 엄청난 양의 양전자-전자 플라스마를 생성하는 것으로 나타났다.^[41][42]

=== 인공 생성 ===

반물질은 입자 가속기에서 고에너지 입자 충돌을 통해 인공적으로 만들 수 있다. 1955년, 캘리포니아 대학교 버클리의 베바트론에서 반양성자와 반중성자가 최초로 인공 생성되었다.^[55][56] 1965년에는 CERN의 양성자 싱크로트론과 브룩헤이븐 국립 연구소의 교류 기울기 싱크로트론에서 반중수소 원자핵이 생성되었다.^[57][58]

1995년, CERN은 저에너지 반양성자 가속기(LEAR)를 사용하여 최초로 반수소 원자를 인공 생성하였다.^[59] 1999년에는 반양성자 감속기가 가동되어 반양성자를 감속하는 데 사용되었다. 2002년 말, ATHENA 프로젝트는 세계 최초로 "저온" 반수소를 생성했고,^[60] ATRAP 프로젝트도 거의 동시에 유사한 결과를 발표했다.^[61]

2008년, 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 레이저를 이용하여 다량의 양전자를 생성하는 데 성공했다.^[51][52] 2023년에는 옥스퍼드 대학교 연구진이 CERN의 고선량 물질 조사 시설(High-Radiation to Materials, HRMT)에서 최초의 전자-양전자 빔-플라스마 생성을 보고했다.^[53][54]

1970년대에는 안티헬륨-3 핵()이 처음 관측되었고,^[73][74] 2011년에는 STAR 검출기에서 인공적으로 생성된 안티헬륨-4 핵(반알파 입자)()이 관측되었다.^[75] 알파 자기 분광계는 2021년 현재 국제 우주 정거장에서 안티헬륨-3의 탐지를 나타내는 것으로 보이는 8건의 사건을 기록했다.^[76][77]

4. 1. 자연 생성

4. 2. 인공 생성

5. 보존 및 비용

반물질은 일반 물질과 접촉하면 소멸하기 때문에 일반 물질로 만들어진 용기에 보관할 수 없다. 대전 입자 형태의 반물질은 전기장과 자기장을 조합한 페닝 트랩이라는 장치에 담을 수 있다.^[78] 그러나 이 장치는 원자 트랩이 사용되는 비전하 입자로 구성된 반물질은 담을 수 없다. 고진공 상태에서 물질이나 반물질 입자는 자기광학 트랩 또는 자기 트랩을 사용하여 약간 비공명 레이저 방사선으로 포획하고 냉각할 수 있다.^[78]

2011년, CERN 과학자들은 약 17분(1000초 이상) 동안 반수소를 보존하는 데 성공했다.^[79] CERN의 TRAP 실험에서는 반양성자를 페닝 트랩에 405일 동안 보관하여 반입자 저장 기록을 세웠다.^[80]

과학자들은 반물질이 생산 비용이 가장 높은 물질이라고 주장한다.^[83] 2006년 제럴드 스미스(Gerald Smith)는 양전자 10밀리그램을 생산하는 데 2.5억달러가 소요될 것이라고 추산했으며,^[82] 이는 그램당 250억달러에 해당한다. 1999년 NASA는 반수소 1그램당 62.5조달러라는 수치를 제시했다.^[83] 반물질 생산이 어려운 이유는 입자 가속기의 반응에서 매우 소량의 반양성자만 생성되고, 입자 가속기의 다른 용도에 대한 수요가 더 높기 때문이다. CERN에 따르면, 지금까지 입자/반입자 충돌에 사용된 양인 약 10억 분의 1그램을 생산하는 데 수억 스위스 프랑이 들었다고 한다.^[84] 비교하자면, 최초의 원자폭탄을 생산한 맨해튼 계획의 비용은 2007년 기준으로 인플레이션을 고려하여 약 230억달러로 추산된다.^[85]

5. 1. 보존

5. 2. 비용

6. 응용

반물질은 의료, 연료, 무기 등 다양한 분야에서 응용될 가능성이 있다.

의학 분야에서는 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 같은 의료 영상 기술에 반물질이 활용된다.^[87] 사이클로트론을 통해 생성된 핵종은 양전자를 방출하며, 이를 통해 신체 내부를 촬영할 수 있다. 또한, 반양성자를 이용한 암 치료 가능성도 연구되고 있다.^[87]

연료 분야에서는 반물질의 높은 에너지 밀도에 주목하여, 반물질 로켓과 같이 미래 우주 탐사에 필요한 연료로 고려되고 있다.^[88] 반물질-물질 쌍소멸 반응은 화학 에너지보다 약 10 차수 더 크고,^[89] 핵분열보다 약 3차수,^[90] 핵융합보다 약 2차수 더 큰 에너지를 방출한다.^[91] 1g의 반물질은 우주왕복선 외부 연료 탱크 23개분에 해당하는 에너지를 낼 수 있다. 그러나 반물질 생성의 비효율성과 저장의 어려움 때문에, 일반적인 운송 수단이나 발전에는 적합하지 않다.

무기 분야에서는 핵무기의 기폭 장치로 반물질을 활용하는 방안이 고려된 적이 있다.^[95] 하지만 충분한 양의 반물질을 생산하기 어렵다는 문제가 있다.^[96] 미 공군은 냉전 시대에 반물질 연구를 지원하며, 폭발물 자체로 사용하는 방안도 고려했다.^[97]

6. 1. 의학

6. 2. 연료

6. 3. 무기

7. 대중문화

• 천사와 악마^영어 - 바티칸을 노린 반물질 폭탄 장치가 등장한다.
• 스타트렉 - 반물질을 장착한 무기인 "광자 어뢰"가 널리 사용된다.
• 별의 문장^일본어 (모리오카 히로유키) - 작중 세계에서는 반물질 동력이 동력원으로 널리 보급되어 있다.
• 백악기 왕사^중국어 (류츠신) - 반물질의 쌍소멸을 이용한 무기가 등장한다.
• 2001년의 우주여행^일본어 (호시노 유키노부) - 21세기 초 해왕성 궤도 훨씬 바깥에서 발견된 새로운 행성 루시퍼(마왕성)는 태양에 맞설 수 있을 정도의 질량을 가진 반물질 항성이었다.
• 포신 엑자크손^일본어 (소노다 켄이치) - 주인공이 조종하는 거대한 인형 병기는 반물질 생성기 "XXX 유닛"을 탑재하고 있다.
• ARMS^일본어 (미나가와 료지×나나츠키 쿄이치) - 주인공에게 이식된 ARMS "자바워크"는 반물질 생성 능력을 가지고 있다.
• 총몽 LastOrder^일본어 (키시로 유키토) - 최강의 격투가라고 불리는 등장인물이 반물질을 담은 주먹 "도룡파골"을 사용한다.
• 초인 로크^일본어 (히지리 유키) - 작중 세계에서는 반물질을 연료로 하는 "반응로"가 동력원으로 보급되어 있다. 반물질을 장전한 미사일도 등장한다.
• 우주전함 야마토 사랑의 전사들^일본어 - 반물질 세계의 인물이 등장한다.
• 톱을 노려라!^일본어 - 명칭만이지만 "반물질 기뢰"라는 무기가 등장한다.
• 신세기 에반게리온^일본어 - 전자와 양전자의 상호 소멸 시 발생하는 에너지를 이용한 "양전자포(포지트론 라이플)"라는 무기가 애니메이션판 6화에 등장한다.
• 건담 G의 레콘키스타^일본어 - G-셀프(퍼펙트 팩)가 사용하는 반물질을 가둔 결정체를 살포하는 "포톤 토피도"라는 무기가 있다.
• 데스 스트랜딩^영어에 등장하는 "BT"라 불리는 적은 신체가 반물질로 구성되어 있다. 또한, 배송 화물 속에 "반물질 폭탄"이라는 무기가 존재한다.
• Antimatter dimensions^영어 - 반물질을 만드는 게임
• '''제노블레이드3^일본어''' - 과거 작품인 1과 2의 세계 관계가, 양과 음, 같은 모습이면서 상반된 성질을 가진 두 세계라고 설명되며, 구성하는 입자가 다르기 때문에 원래는 만나지 않지만, 언젠가 서로 끌어당겨 만나면 막대한 에너지를 발생시켜 상호 소멸하고, 나중에는 빛만 남는다는 반물질의 특성을 보여주고 있다.

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