포지트로늄

3. 양자역학적 상태

포지트로늄의 바닥 상태는 수소처럼 전자와 양전자의 스핀의 상대적인 배향에 따라 두 가지 배열을 갖는다. 스핀이 서로 같은 방향을 가리키는 경우를 '''오르토 포지트로늄'''(orthopositronium^영어, ''o''-Ps), 반대 방향을 가리키는 경우를 '''파라 포지트로늄'''(parapositronium^영어, ''p''-Ps)이라고 부른다.

포지트로늄은 가장 낮은 에너지 궤도 상태(1S)를 가지며, 수소와 마찬가지로 전자와 양전자의 스핀 상대 방향으로 인해 초미세 구조를 갖는다. 포지트로늄의 질량은 전자 질량의 두 배에서 수 eV의 결합 에너지를 뺀 값(1.022 MeV)이다.

소멸은 하나 또는 그 이상의 감마선을 생성하는 여러 채널을 통해 진행된다. 감마선들은 전체 에너지 1022 keV(소멸입자 각각은 511 keV/''c''²의 질량을 지님)로 생성된다. 가장 가능성이 높은 소멸 채널은 둘 또는 세 광자를 생성하는데, 이는 전자와 양전자의 상대적인 스핀 배열에 의존한다. 한 광자 붕괴는 소멸 포지트로늄 근처에 다른 물체(전자 등)가 있어 소멸 사건에서 에너지의 일부가 이동될 수 있을 때만 가능하다. 실험실 실험에서 다섯 소멸 감마선까지 관측되어 양자 전동역학이 고차수라는 예측을 확인하였다. 뉴트리노-반뉴트리노 쌍으로 소멸하는 것도 가능하나 예측에 의하면 그 확률은 무시할 수 있다.

3. 1. 파라 포지트로늄 (p-Ps)

3. 2. 오쏘 포지트로늄 (o-Ps)

3. 3. 준안정 상태

4. 에너지 준위

포지트로늄의 에너지 준위는 수소 원자와 유사하지만, 환산 질량이 전자의 절반이기 때문에 에너지 준위는 대략 수소 원자의 절반이다. 에너지 준위는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:$E\_n\; =\; -\backslash frac\{1\}\{2\}\; \backslash frac\{m\_\backslash mathrm\{e\}\; q\_\backslash mathrm\{e\}^4\}\{8\; h^2\; \backslash varepsilon\_0^2\}\; \backslash frac\{1\}\{n^2\}\; =\; \backslash frac\{-6.8~\backslash mathrm\{eV\}\}\{n^2\}.$

여기서,

• $q\_e$는 전자의 전하
• $h$는 플랑크 상수
• $\backslash epsilon\_0$는 진공 유전율
• $m\_e$는 전자의 질량
• n은 주양자수

5. 포지트로늄의 반응 (물질 내)

β⁺ 붕괴(양전자 방출)를 통해 생성된 고에너지 양전자는 물질 내에서 여러 반응을 거친다. 양전자는 원자와 충돌하여 속도가 느려지며, 물질 내의 전자와 쌍소멸하거나, 그 전에 포지트로늄을 형성할 수 있다.^[11][12]

양전자의 반응 경로는 다음과 같이 나눌 수 있다.

특히, 수명이 긴 오쏘 포지트로늄(o-Ps)은 물질 내에서 픽오프 소멸, 스핀 교환, 화학 반응 등 다양한 반응을 일으킨다. 이는 o-Ps 내의 양전자가 물질 내 전자와의 쌍소멸에 더 쉽게 소멸되고, 포지트로늄 자체가 불짝전자 하나를 가진 자유 라디칼로 작용하기 때문이다.

5. 1. 픽오프 소멸 (Pick-off Annihilation)

5. 2. 스핀 교환 (Spin Exchange)

5. 3. 화학 반응

6. 포지트로늄 형성 메커니즘

포지트로늄 형성 메커니즘에는 Ore 모델과 스퍼 반응 모델(Spur Reaction Model^영어)이 있다. Ore 모델은 양전자가 원자에서 전자를 떼어내 포지트로늄을 형성한다는 초기 모델이며,^[1] 스퍼 반응 모델은 양전자가 물질 내에서 느려지면서 마지막에 전자를 포획하여 포지트로늄을 형성한다고 설명한다.^[1]

6. 1. Ore 모델

6. 2. 스퍼 반응 모델 (Spur Reaction Model)

7. 화합물

포지트로늄은 분자 결합을 할 수 있다고 예측되었다.^[20] 포지트로늄 수소화물(PsH) 분자를 만들 수 있다.^[21] 포지트로늄은 시안화물을 형성할 수도 있으며, 할로겐이나 리튬과 결합을 형성할 수 있다.^[22]

캘리포니아 대학교 리버사이드의 David Cassidy와 Allen Mills는 2007년 9월 12일에 두 개의 포지트로늄 원자로 구성된 이포지트로늄 분자(Ps₂)를 처음으로 관측했다고 보고했다.^[23][24][25]

8. 응용

포지트로늄의 수명과 에너지 준위 측정은 양자 전기 역학의 정밀 검증에 사용되어, 높은 정밀도로 양자 전기 역학(QED) 예측을 확인했다.^[1][6][7]

쌍소멸은 여러 경로를 통해 진행될 수 있으며, 각 경로는 총 에너지가 1022keV (전자와 양전자의 질량-에너지 합)인 감마선을 생성한다. 일반적으로 2개 또는 3개의 감마선 광자가 생성되며, 단일 쌍소멸에서 최대 5개의 감마선 광자가 기록된 바 있다.

중성미자-반중성미자 쌍으로의 쌍소멸도 가능하지만, 그 확률은 무시할 만큼 낮을 것으로 예측된다.

참조

_[1] 논문 Precision Study of Positronium: Testing Bound State QED Theory 2003
_[2] 논문 An Improved Limit on Invisible Decays of Positronium 2007
_[3] 서적 Proceedings of the International Workshop on High Energy Physics and Quantum Field Theory (QFTHEP) 2000
_[4] 논문 Order α² Corrections to the Decay Rate of Orthopositronium 2000-05-29
_[5] 논문 Observation of positronium annihilation in the 2S state: towards a new measurement of the 1S-2S transition frequency 2015
_[6] 논문 Positronium as a probe for new physics beyond the standard model 2004
_[7] 논문 Branching-ratio measurements of multiphoton decays of positronium https://digital.libr[...] 2002
_[8] 논문 Anomalous states of Positronium 2019
_[9] 논문 Properties of the anomalous states of Positronium 2023
_[10] 논문 Accurate finite element solutions of the two-body Dirac equation 1992
_[11] 논문 Positronium: Review of symmetry, conserved quantities and decay for the radiological physicist 2003
_[12] 논문 Feasibility study of the positronium imaging with the J-PET tomograph. 2019
_[13] 논문 Diagnostics of a positronium beam https://inis.iaea.or[...] 1991
_[14] 논문 Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik 1934
_[15] 보도자료 Martin Deutsch, MIT physicist who discovered positronium, dies at 85 http://web.mit.edu/n[...] MIT 2002
_[16] 뉴스 Positronium puzzle is solved http://physicsworld.[...] 2003-05-23
_[17] 논문 First Test of O(α²) Correction of the Orthopositronium Decay Rate https://www.icepp.s.[...] 2009
_[18] 논문 Positronium Laser Cooling via the 13S−23P Transition with a Broadband Laser Pulse 2024
_[19] 뉴스 Antimatter: Scientists freeze positronium atoms with lasers https://www.bbc.com/[...] 2024-02-22
_[20] 논문 Signature of the existence of the positronium molecule 1998
_[21] 웹사이트 "Out of This World" Chemical Compound Observed http://www.sc.doe.go[...] sc.doe.gov null
_[22] 논문 Is Positronium Hydride Atom or Molecule? 2000
_[23] 논문 The production of molecular positronium 2007
_[24] 논문 A whiff of antimatter soup 2007
_[25] 웹사이트 Molecules of positronium observed in the lab for the first time http://www.physorg.c[...] Physorg.com 2007-09-07
_[26] 논문 Muonium–the second radioisotope of hydrogen: a remarkable and unique radiotracer in the chemical, materials, biological and environmental sciences 2012
_[27] 논문 Comparison of muonium and positronium with hydrogen atoms in their reactions towards solutes containing amide and peptide linkages in water and micelle solutions 1989-01
_[28] 논문 Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik http://onlinelibrary[...] 1934
_[29] 보도자료 Martin Deutsch, MIT physicist who discovered positronium, dies at 85 http://web.mit.edu/n[...] MIT 2002
_[30] 논문 オルソポジトロニウムの寿命問題 https://cir.nii.ac.j[...] 日本物理学会 1994-03-05
_[31] 뉴스 Positronium puzzle is solved http://physicsworld.[...] 2003-05-23
_[32] 웹사이트 First Test of O(α²) Correction of the Orthopositronium Decay Rate https://www.icepp.s.[...] International Center for Elementary Particle Physics 2008-09-09
_[33] 논문 Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik 1934
_[34] 논문 Positronium 1945
_[35] 논문 Evidence for the formation of positronium in gases 1951
_[36] 저널 Three-quantum decay of positronium