반양성자

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1. 개요
2. 자연계에서의 존재
- 2.1. 우주선 검출 실험 목록
  - 2.1.1. 최근 우주선 검출 실험 목록
3. 현대 실험 및 응용
4. 성질
5. 추가 실험
- 5.1. 가속기를 이용한 실험
- 5.2. 우주선 반양자 관측 실험
참조

1. 개요

반양성자는 양성자의 반입자이며, 자연 상태에서는 고에너지 우주선이나 가속기 실험 시설에서 생성된다. 우주선에서 검출되며, 우주선 양성자가 성간 물질의 원자핵과 충돌하여 생성되는 것으로 설명된다. 가속기를 이용한 실험, 반수소 생성 실험, 전자 대신 반양자를 사용한 원자 연구 등 다양한 실험에 활용된다. 반양성자의 질량, 자기 모멘트, 전하 대 질량 비가 측정되었으며, 암 치료에 잠재적으로 응용될 수 있다.

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양전자는 전자와 질량은 동일하지만 양전하를 띠는 반입자로, 디랙의 방정식으로 예측된 후 앤더슨에 의해 우주선 실험에서 관측되었으며, 베타 플러스 붕괴나 쌍생성을 통해 생성되고 전자와 쌍소멸하여 감마선을 방출하며, PET나 암흑물질 연구 등 다양한 분야에 활용된다.
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반양성자
기본 정보
반양성자의 쿼크 구조
분류	반중입자
구성	위 반쿼크 2개, 아래 반쿼크 1개
통계	페르미온
군	강입자
상호작용	강력, 약력, 전자기력, 중력
반입자	양성자
질량	또는 }}
중입자 수	-1
아이소 스핀	−
일반 정보
발견	에밀리오 세그레 & 오언 체임벌린 (1955년)
이론화	폴 디랙 (1933년)

2. 자연계에서의 존재

반양성자는 지난 25년 동안 우주선에서 검출되어 왔으며, 처음에는 대형 풍선을 이용한 실험에서 측정되었고, 최근에는 인공위성을 이용한 실험을 통해서 측정되었다. 우주선에서 반양성자가 발견되는 표준적인 이유는 성간물질에서 우주선 양성자가 다른 입자와 충돌하여 생성되기 때문이다. 이때의 반응식은 다음과 같다.

: p + A → p + $\overline{p}$ + p + A

생성된 반양성자( $\overline{p}$ )는 은하 자기장의 영향을 받아 은하계 안으로 들어온다. 반양성자 우주선 에너지 스펙트럼은 현재 신뢰할 수 있게 측정되었으며, 이는 우주선 충돌에 의한 반양성자 생성에 대한 표준적인 설명과 일치한다.^[3] 이러한 실험적 측정은 초대칭성 암흑 물질 입자가 은하에서 소멸하거나 원시 블랙홀 증발로 인한 호킹 복사와 같이 특이한 방식으로 생성될 수 있는 반양성자의 수에 대한 상한선을 설정한다. 또한, 이는 약 100만~1000만 년의 반양성자 수명에 대한 하한선을 제공한다.

2. 1. 우주선 검출 실험 목록

반양성자는 지난 25년 동안 우주선에서 검출되어 왔다. 처음에는 대형 풍선을 이용한 실험에서 측정되었고, 최근에는 인공위성을 이용한 실험을 통해 측정되었다. 우주선에서 반양성자가 발견되는 것에 대한 표준적인 설명은 우주선 양성자가 성간 매질의 원자핵과 충돌하여 생성된다는 것이다. 반응식은 다음과 같다.

: + A → + + + A

2차적으로 생성된 반양성자()는 은하 자기장에 의해 갇혀 은하를 통해 퍼져 나간다. 그들의 에너지 스펙트럼은 성간 매질 내의 다른 원자와의 충돌에 의해 변경되며, 반양성자는 은하에서 "누출"되어 손실될 수도 있다.^[3]

반양성자 우주선 에너지 스펙트럼은 현재 신뢰할 수 있게 측정되었으며, 우주선 충돌에 의한 반양성자 생성에 대한 이 표준적인 설명과 일치한다.^[3] 이러한 실험적 측정은 초대칭성 암흑 물질 입자가 은하에서 소멸하거나 원시 블랙홀 증발로 인한 호킹 복사와 같은 특이한 방식으로 생성될 수 있는 반양성자의 수에 대한 상한선을 설정한다. 이것은 또한 약 100만~1000만 년의 반양성자 수명에 대한 하한선을 제공한다.

2. 1. 1. 최근 우주선 검출 실험 목록

BESS: 1993년, 1995년, 1997년, 2000년, 2002년, 2004년(Polar-I) 및 2007년(Polar-II)에 발사된 기구 탑재 실험이다.^[3]
CAPRICE: 1994년^[6]과 1998년에 발사된 기구 탑재 실험이다.^[3]
HEAT: 2000년에 발사된 기구 탑재 실험이다.^[3]
AMS: 1998년 우주왕복선에 프로토타입이 탑재되었으며, 2011년 5월 국제 우주 정거장에 설치되었다.^[3]
PAMELA: 2006년 6월에 발사된 위성 실험으로, 우주선과 반물질을 탐지한다. 최근 보고에 따르면 남대서양 이상대에서 28개의 반양성자를 발견했다.^[7]

3. 현대 실험 및 응용

BEV-938. 반양성자 실험 장치와 연구팀: 에밀리오 세그레, 클라이드 위건드, 에드워드 J. 로프그렌, 오웬 체임벌린, 토머스 입실란티스, 1955

반양성자는 반물질이며, 자연 상태에서는 지구상에 존재하지 않는다. 페르미 연구소의 테바트론에서는 양성자와 반양성자를 충돌시켜 쿼크와 반쿼크 간의 충돌 에너지를 높이는 실험에 사용되었다. 이는 양성자의 유효 쿼크와 반양성자의 유효 반쿼크가 양성자 또는 반양성자의 운동량의 가장 큰 부분을 차지하는 경향이 있기 때문이다.

반양성자는 고에너지 우주선이 쏟아지는 우주 공간이나, 가속기를 이용한 실험 시설 등에서 생성된다. 가속기에서 생성된 반양자를 이용한 실험에는 다음과 같은 것들이 있다.

양성자-반양자 충돌 실험: 테바트론
반수소 생성 실험
전자를 반양자로 대체한 원자의 성질을 조사하는 실험 (예: 반양자 헬륨 원자)

또한, 우주 공간에서 생성된 우주선 반양자의 관측 실험도 진행되고 있다.

저에너지 우주선 반양자 관측 실험

3. 1. 생성

CERN에서는 양성자를 양성자 싱크로트론에서 26G eV의 에너지로 가속한 다음 이리듐 막대에 충돌시킨다. 양성자는 물질을 생성할 수 있을 만큼 충분한 에너지로 이리듐 핵에서 튕겨 나온다. 다양한 입자와 반입자가 형성되며, 반양성자는 진공 속의 자석을 사용하여 분리된다.

3. 2. 측정

CERN의 ASACUSA 실험은 2011년에 반양성자의 질량이 전자의 1836.1526736(23)^영어 배임을 측정했다.^[8] 이는 실험의 불확실성 범위 내에서 양성자의 질량과 동일하다.

2017년에는 CERN의 BASE 실험 연구자들이 반양성자의 자기 모멘트를 10억 분의 1.5 정밀도로 측정했다고 보고했다.^[9]^[10] 이는 2014년 BASE에서 측정한 양성자 자기 모멘트의 가장 정밀한 측정 결과와 일치하며, CPT 대칭 가설을 뒷받침한다. 이 측정은 반물질의 성질이 물질의 해당 성질보다 더 정확하게 알려진 최초의 사례이다.

2022년 1월, BASE 실험은 반양성자와 음전하 수소 이온 간의 전하 대 질량 비를 비교하여, 반양성자의 전하 대 질량 비가 1조 분의 16 수준까지 양성자의 전하 대 질량 비와 동일하다는 것을 확인했다.^[11]^[12]

반양자의 전자 질량비는 1836.1526736 ± 0.0000023 (상대 표준 불확실도 1.2 × 10⁻⁹)이다. 양성자의 전자 질량비는 1836.15267245(75)^[14]이며, 양성자의 전자 질량비와 유의미한 차이는 발견되지 않았다.^[15]

3. 3. 잠재적 응용

반양성자는 실험을 통해 특정 암 치료에 잠재력이 있는 것으로 나타났으며, 이는 현재 이온(양성자) 치료법에 사용되는 방식과 유사하다.^[13] 반양성자 치료법과 양성자 치료법의 주요 차이점은 이온 에너지 증착 후 반양성자가 소멸되어 암 부위에 추가적인 에너지를 전달한다는 것이다.

4. 성질

반양성자는 양성자와 충돌하면 쌍소멸을 일으켜 여러 개의 파이 중간자 등이 된다.

반양성자의 전자 질량비는 1836.1526736 ± 0.0000023 (상대 표준 불확실도 1.2 × 10⁻⁹)이다. 양성자의 전자 질량비는 1836.15267245(75)^[14]이며, 양성자의 전자 질량비와 유의미한 차이는 발견되지 않았다.^[15]

5. 추가 실험

반양자는 반물질이며, 자연 상태에서는 지구상에 존재하지 않는다. 고에너지 우주선이 쏟아지는 우주 공간이나, 가속기를 이용한 실험 시설 등에서 생성된다.^[1]

가속기를 이용한 실험과 우주 공간에서 생성된 우주선 반양자 관측 실험이 진행되고 있다.

5. 1. 가속기를 이용한 실험

가속기에서 생성된 반양자를 이용한 실험에는 다음과 같은 것들이 있다.^[1]

양성자-반양성자 충돌 실험: 테바트론
반수소 생성 실험
전자를 반양자로 대체한 원자의 성질을 조사하는 실험 (예: 반양자 헬륨 원자)

5. 2. 우주선 반양자 관측 실험

지난 25년 동안 우주선에서 반양성자가 검출되어 왔다. 처음에는 대형 풍선을 이용한 실험에서 측정되었고, 최근에는 인공위성을 이용한 실험을 통해서 측정되었다.^[1] 우주선에서 반양성자가 존재하는 이유는 성간물질에서 우주선 양성자들이 질량 A를 갖는 입자와 충돌하여 다음과 같이 반응하기 때문이다.^[1]

p + A → p +

\overline{p}

+ p + A

이때 생성된 반양성자(

\overline{p}

)는 은하계의 자기장에 영향을 받아 은하계 안으로 들어오게 된다.^[1] 반양자는 반물질이며, 자연 상태에서는 지구상에 존재하지 않는다. 고에너지 우주선이 쏟아지는 우주 공간이나, 가속기를 이용한 실험 시설 등에서 생성된다.^[2]

참조

_[1] 저널 A parts-per-billion measurement of the antiproton magnetic moment https://cds.cern.ch/[...]
_[2] 웹사이트 Theory of electrons and positrons https://www.nobelpri[...] 1933
_[3] 서적 Gamma-Ray and Cosmic-Ray Detectors, Techniques, and Missions 2000
_[4] 저널 Particle Data Group http://pdg.ihep.su/1[...] 2008-03-16
_[5] 저널 Improved limit on the directly measured antiproton lifetime http://stacks.iop.or[...] 2017
_[6] 웹사이트 Cosmic AntiParticle Ring Imaging Cherenkov Experiment (CAPRICE) http://ida1.physik.u[...] Universität Siegen 2022-04-14
_[7] 저널 The Discovery of Geomagnetically Trapped Cosmic-Ray Antiprotons 2011
_[8] 저널 Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio 2011
_[9] 웹사이트 Universe Should Not Actually Exist: Big Bang Produced Equal Amounts Of Matter And Antimatter http://www.techtimes[...] 2017-10-26
_[10] 저널 A parts-per-billion measurement of the antiproton magnetic moment https://cds.cern.ch/[...] 2017-10-20
_[11] 웹사이트 BASE breaks new ground in matter–antimatter comparisons http://home.cern/new[...] 2022-01-05
_[12] 저널 A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge–mass ratio https://www.nature.c[...] 2022-01-05
_[13] 웹사이트 Antiproton portable traps and medical applications http://www.engr.psu.[...]
_[14] 웹사이트 Search Results http://physics.nist.[...] 2012-06-21
_[15] 웹사이트 反物質に新たな光を当てる http://www.s.u-tokyo[...] 東京大学大学院理学系研究科・理学部 2012-06-21
_[16] 저널 Theory of Electrons and Positrons http://nobelprize.or[...] Elsevier Publishing Company, Amsterdam 2011-04-08

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