반물질이란 무엇인가요?

반물질은 입자 물리학에서 물질의 가상적인 형태입니다. 반물질은 반입자로 구성됩니다. 물질과 반물질의 결합은 입자와 반입자의 결합처럼 둘이 소멸되어 고에너지 광자나 감마선을 방출하게 됩니다. 양전자의 존재는 1932년 미국의 물리학자 칼 앤더슨(Carl Anderson)에 의해 실험적으로 확인되었습니다. 나중에 반대 방향의 스핀 방향을 갖는 음의 양성자와 반중성자가 발견되었습니다. 2010년 11월 17일, 유럽 연구자들은 과학 역사상 처음으로 미량의 반물질을 "포획"하는 데 성공했습니다. 2011년 5월 초, 중국 과학 기술 대학과 미국 과학자들은 협력하여 현재까지 가장 무거운 반물질 입자인 항헬륨 4를 발견했습니다. 2011년 6월 5일 CERN의 연구원들은 16년 이상 반수소 원자를 성공적으로 포착했다고 발표했습니다. 분.

기본 소개

반물질 탐사 여행

자연의 다양한 거시적 물체는 모두 미시적 기원으로 복원됩니다. 그들은 모두 양성자, 중성자 및 전자로 구성되어 있습니다. 의. 그러므로 이 입자를 소립자라고 부르는데, 이는 세상의 모든 것을 구성하는 기본 벽돌이라는 뜻입니다. 사실 소립자의 세계는 그렇게 단순하지 않습니다. 1930년대 초 누군가가 양전하를 띤 전자를 발견했는데, 이는 반물질을 이해하는 첫 번째 단계였습니다. 1950년대에 반양성자와 반중성자가 발견되면서 사람들은 모든 기본 입자에 상응하는 반입자가 자연적으로 존재한다는 사실을 분명히 깨닫기 시작했습니다. 반물질은 정상물질의 반상태이다. 물질과 반물질이 만나면 서로 소멸하고 상쇄되어 폭발을 일으키고 엄청난 에너지를 생성하게 됩니다. 에너지 방출 속도는 수소폭탄 폭발보다 훨씬 높습니다. 반물질의 개념은 영국의 물리학자 폴 디랙(Paul Dirac)이 처음 제안했습니다. 그는 1930년대에 모든 입자는 전자와 정확히 동일한 질량을 가지지만 반대 전하(A)를 운반하는 반전자와 같은 반대되는 반입자를 가져야 한다고 예측했습니다. 그리고 전자의 스핀 양자수는 양의 1/2가 아닌 -1/2입니다. 과학자들은 우주가 시작될 때 동일한 양의 물질과 반물질이 생성되었다고 믿습니다. 나중에 어떤 이유로 반물질의 대부분이 물질로 변환되었습니다. 또한 일부 반물질은 관찰하기 어렵기 때문에 우리의 관점에서 볼 때 오늘날 세계는 주로 물질로 구성되어 있습니다. 일부 과학자들은 우주에는 반물질로 이루어진 반은하가 있고, 반은하 주위에는 작은 블랙홀 집단이 있다고 제안했습니다. 붕괴되면 저에너지 반양성자와 반헬륨 핵이 방출됩니다. 따라서 우주선에서 반양성자와 반헬륨 핵을 관찰하면 반물질의 존재에 대한 증거를 얻을 수 있습니다. 유럽우주국 감마선 천문대(Gamma Ray Astronomy Observatory)가 우주에 반물질이 존재한다는 사실을 확인했다. 그들은 우주 중심의 한 지역을 주의 깊게 관찰 분석했습니다. 이 지역에는 다량의 반물질이 축적된 것으로 밝혀졌다. 또한 감마선 천문대에서는 이러한 반물질이 특정 지점에 집중되어 있지 않고 우주 전체에 널리 분포되어 있다는 사실도 입증했습니다. 이 단락의 주요 개념 편집

양전자와 음성 양성자는 일반적으로 알려진 전자 및 양성자와 비교할 때 질량은 같지만 전기적 특성은 반대입니다. 과학자들은 우주에 전적으로 반입자로 구성된 물질, 즉 반물질이 있을 수 있다고 상상합니다. 전자와 반전자는 질량은 같지만 전하가 반대입니다. 양성자와 반양성자도 마찬가지다. 그렇다면 중성자와 반중성자의 특성에는 어떤 차이가 있나요? 실제로 입자 실험을 통해 입자와 반입자는 반대 전하를 가질 뿐만 아니라 다른 모든 반대 특성도 가지고 있음이 확인되었습니다. 여기서는 중입자수(baryon number)의 개념에 대해 논의합니다. 양성자와 중성자를 합쳐서 핵자라고 부릅니다. 사람들은 핵 현상 연구를 통해 양성자가 중성자로 전환될 수 있고 중성자도 양성자로 전환될 수 있다는 사실을 발견했지만 전환 전후에 시스템의 총 핵자 수는 변하지 않습니다. 즉, 중성자가 양성자로 변환되면 양성자도 중성자로 변환됩니다. 1950년대 이후의 입자 실험에서는 핵자와 동일한 유형인 많은 종류의 핵자보다 무거운 입자가 있음이 밝혀졌으며, 이러한 입자는 중입자로 이름이 바뀌었으며 핵자는 가장 가벼운 입자일 뿐입니다. 상호작용을 통해 변환되며 시스템의 중입자 수는 변하지 않습니다. 중핵수 보존으로 인해 두 개의 양성자가 충돌해도 세 개의 중핵을 포함하는 계가 생성되지 않습니다. 그러면 반핵자는 어떻게 생성되어야 할까요? 실험에 따르면 반핵자는 충돌 시 항상 핵자와 쌍을 이루어 생성되는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, p+p → N+N+N+N'+여러 파이 중간자, 여기서 N은 양성자 또는 중성자를 나타내고 N'은 반양성자 또는 반중성자를 나타냅니다. 반핵이 생성되면 주변 핵과 충돌하여 쌍으로 소멸되는 경우가 많습니다.

예를 들어, N+N' → 여러 π 중간자. 이 주장에 따르면 우주 어딘가에 반물질 세계가 있어야 합니다. 반물질 세계가 실제로 존재한다면 물질과 만나지 않는 경우에만 존재할 수 있습니다. 그런데 어떻게 물질과 반물질이 합쳐지지 않을 수 있습니까? 우주에 반물질은 어디에 있나요? 이것은 아직 해결해야 할 미스터리입니다. 핵자보다 무거운 중입자의 경우에도 상황은 똑같습니다. 항중핵은 항상 중입자와 쌍으로 생성되고 쌍으로 소멸됩니다. 이러한 경험을 통해 사람들은 중입자 보존법칙을 다시 이해할 필요가 있음을 깨닫게 되었습니다.

반물질 우주선의 작동 원리

요즘 사람들은 바리온수 B를 입자의 성질을 나타내는 전하로 간주합니다. 양성 및 음성 중입자는 서로 반대 전하를 가질 뿐만 아니라 중입자 수 B도 반대입니다. 어떤 중입자의 중입자 수가 B=+1이라고 가정하면 모든 반중핵은 B=-1입니다. 중간자, 렙톤, 노르몬과 같은 비중입자에는 중입자 수가 없습니다. 즉, B=0입니다. 중입자 수의 보존 법칙은 다음과 같이 표현될 수 있습니다. 어떤 입자 반응도 시스템의 총 중입자 수 B를 변경하지 않습니다. 이 표현은 반입자가 포함되지 않은 경우 중입자의 일정한 수를 반영할 뿐만 아니라 반입자와 입자의 쌍생성 및 소멸도 요약합니다. 이제 우리는 중성자와 반중성자의 차이점을 쉽게 이해할 수 있습니다. 그들은 중성자 수 B가 반대이므로 반중성자는 핵자와 충돌하여 소멸을 일으킬 수 있지만 중성자는 그럴 수 없습니다. 게다가 사람들은 렙톤수의 보존도 비슷하게 발견했습니다. 중성미자는 전하를 띠지 않고 중입자 수가 없지만 반중성미자와 반대되는 렙톤 수를 가지고 있습니다. 렙톤 수 보존에 따르면 중성미자와 반중성미자의 물리적 거동도 매우 다릅니다. 실험에서도 중간자 수와 게이지 입자 수가 보존되지 않는 것으로 나타났습니다. 이런 식으로 우리는 전하가 입자의 속성일 뿐이며 중입자수나 렙톤수와 같은 물리량으로 설명되는 다른 속성도 있음을 알 수 있습니다. 양성 입자와 음성 입자의 이러한 특성도 반대입니다. 1928년 영국의 젊은 물리학자 디랙(Dirac)은 처음으로 양전자의 존재를 이론적으로 입증했습니다. 이런 종류의 양전자는 전자와 전기적으로 반대라는 점을 제외하면 전자와 모든 동일한 특성을 갖습니다. 1932년 미국의 물리학자 앤더슨은 실험실에서 디랙이 예측한 양전자를 발견했습니다. 1955년에 미국의 물리학자 시그레(Sigre) 등이 인공적으로 반양성자를 획득했습니다. 그 이후로 사람들은 양성자와 전자뿐만 아니라 모든 미세한 입자에도 자신만의 반입자가 있다는 사실을 점차 깨닫게 되었습니다. 이러한 일련의 과학적 성과는 사람들을 반물질 세계에 더 가깝게 만들었습니다. 그러나 문제는 그렇게 간단하지 않습니다. 첫째, 지구에서는 반물질을 찾기가 어렵습니다. 얼음 조각이 불덩이를 만나는 것처럼 입자와 반입자는 함께 만나기 때문에 함께 사라지거나 다른 입자로 변형됩니다. 따라서 지구에서는 반물질이 다른 물질과 만나면 흡수됩니다. 둘째, 반물질을 만드는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 들며, SSC나 LHC 등 첨단 장비가 필요하다. 그리고 반물질을 만들어도 지구상의 모든 것이 물질로 이루어져 있기 때문에 보존도 어려울 것이다. 우리 주변의 거시적 물질은 주로 양의 바리온 수를 갖는 양성자와 중성자로 구성됩니다. 따라서 이러한 물질을 양성 물질이라고 하며, 반입자로 구성된 물질을 이에 상응하여 반물질이라고 합니다. 입자 물리학의 관점에서 볼 때 양성 입자와 반입자의 성질은 거의 완전히 대칭인데 왜 자연계에는 양성 물질이 많지만 반물질은 거의 없는 걸까요? 이것이 우리가 지금 논의할 내용입니다. 반물질은 정상적인 물질의 거울상입니다. 일반 원자는 양전하를 띤 핵과 핵 외부에 음전하를 띤 전자로 구성됩니다. 그러나 반물질은 양전하를 띤 전자와 음전하를 띤 핵으로 구성되어 있습니다. 기본적으로 반물질은 물질이 거꾸로 된 형태이다. 아인슈타인은 상대성 이론에 기초하여 반물질의 존재를 예측한 적이 있습니다. "질량이 m이고 전하가 e인 물질의 경우 질량이 m이고 전하가 -e인 물질(즉, 반물질)이 있어야 합니다." 물리학자들의 가설에 따르면, 우주 초기에는 동일한 양의 물질과 반물질이 생성되었으며, 이 둘이 접촉하면 서로 소멸되고 상쇄되어 폭발하여 엄청난 에너지를 생성하게 됩니다. 그런데 어떤 이유에서인지 오늘날의 세계는 대부분 물질로 이루어져 있고, 자연에는 반물질이 전혀 존재하지 않는 것 같습니다. 물질과 반물질 사이의 비대칭 문제는 물리학계가 직면한 주요 과제입니다. 이 단락의 주요 특징을 편집하세요

NASA가 구상하고 있는 양전자 우주선(개발 중)

대부분의 이론가들은 우주에서 물질과 반물질의 대규모 분리는 불가능하다고 생각합니다 . 따라서 3천만 광년 범위 내에는 반물질 물체가 없으며, 이는 우주에 큰 반물질 덩어리가 존재하지 않는다는 것을 의미합니다.

그러나 이론가들은 또한 초기 우주에는 물질과 반물질의 양이 동일해야 한다고 믿습니다. 이런 방식으로 해야 할 일은 우주가 어떻게 물질과 반물질의 양이 같은 상태에서 주로 물질로 이루어진 상태로 전환될 수 있는지 설명하는 물리적 메커니즘을 찾는 것입니다. 여기서 이론가들은 또한 매우 심각한 어려움에 직면했습니다. 빅뱅 이론에 따르면, 아주 초기 우주의 매질 온도는 매우 높았습니다. 입자 사이의 열 충돌은 쌍으로 된 기본 입자를 생성합니다. 입자의 쌍소멸과 쌍생성이 통계적 균형에 도달하면 우주 매질은 모든 기본 입자로 구성된 혼합 가스이며 안정하거나 불안정한 입자는 모두 거의 동일한 수밀도를 갖습니다. 중입자와 반중입자의 수가 정확히 같은지 여부는 물리적 법칙이 아니라 초기 조건에 따라 결정됩니다. 이론가들에 따르면, 원래 우주에 동일한 양의 양성 입자와 음성 입자가 있어야 하는 것은 당연한 일입니다. 그러나 이 생각이 옳다면 중입자 보존은 즉각적으로 사실과 명백하게 일치하지 않는 추론으로 이어진다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 우주의 팽창으로 인해 가스 온도가 10^13K 아래로 떨어지면 입자의 열 운동 에너지가 더 이상 충분하지 않기 때문에 열 충돌로 인해 쌍으로 중입자가 생성되는 것이 더 이상 가능하지 않습니다. 따라서 소멸 과정으로 인해 양성 및 음성 중입자 수가 동시에 급격히 감소하게 됩니다. 결국 우주에는 중입자도 반중입자도 없을 것입니다. 이것은 분명히 실제 우주의 시나리오가 아닙니다. 사실, 오늘날 우주에는 다른 어떤 것보다 더 많은 광자가 있습니다. 중입자의 수는 약 10만분의 1이고, 반중입자의 수는 아마도 수십 배 더 낮을 것입니다. 중입자수 B의 보존이 엄격한 물리법칙이라면, 우주가 동일한 양의 전방 및 반중입자의 상태에서 오늘날과 같은 상태로 진화하는 것은 불가능할 것입니다. 그렇다면 이론가들은 원래 우주에 반중입자보다 중입자가 더 많을 것이라고 믿을 수 없습니다. 그렇다면 문제에 대한 해결책은 어디에 있습니까? 중입자 B의 보존은 확실히 엄격하게 확립된 물리법칙인가요? 지금까지 수많은 입자 실험을 통해 중입자수의 보존을 위반한 사례는 실제로 발견되지 않았지만 이것이 반드시 엄격한 규칙이어야 한다는 의미는 아닙니다. 화학 발전에 대한 검토가 참고 자료가 될 수 있습니다. 화학반응은 원소들의 재결합이다. 경험에 따르면 각 원소의 원자 수는 재조합 전후에 보존되며 수많은 화학적 관행을 통해 예외가 없음을 알 수 있습니다. 수은을 금으로 변환하는 연금술의 실패는 반대편의 증거를 제공합니다. 그러나 핵 반응에 대한 지식을 통해 사람들은 수은이 금으로 변하는 것이 전적으로 가능하다는 것을 이미 분명히 알고 있습니다. 핵심은 핵을 변화시킬 수 있는 높은 에너지를 갖는 데 있습니다. 화학 반응은 입자 에너지가 1eV 미만인 조건에서 수행됩니다. 이러한 조건에서는 원자핵이 서로 접촉할 수 없어 핵반응이 일어날 수 없습니다. 이 과정에서 입자의 에너지가 1MeV를 초과하면 핵은 서로 충분히 가까워지고 핵이 변하여 원자 번호 보존이 파괴됩니다. 이러한 관점에서 볼 때, 화학 과정에서 원자 번호의 보존은 우연이 아니며, 보편적인 자연 법칙이 아니라 저에너지에서의 현상학적 법칙일 뿐입니다. 같은 원리를 이용하면, 중입자수의 보존은 보편적으로 확립된 것이 아니라 특정 에너지 범위에서만 현상학적 법칙이 될 수 있습니다. 입자의 에너지가 더 높을 때, 중입자 보존은 전혀 사실이 아닐 수도 있습니다. 이것이 바로 오늘날 이론가들이 보는 탈출구입니다. 1970년대 중반부터 입자물리학에서 약전계 통일이론의 성공은 상호작용의 대통일을 연구하는 경향을 촉발시켰다. 이 이론에 따르면, 중입자 수 보존이 파괴되는 과정이 높은 에너지에서 일어나는 것은 자연스러운 현상입니다. 입자물리학의 이러한 경향은 물질과 반물질 사이의 비대칭 문제를 해결하려는 우주론의 필요성과 일치합니다. 결과적으로 이 어려운 문제는 입자물리학과 우주론의 교차점으로서 많은 진전을 이루었습니다. 초기 우주가 동일한 양의 물질과 반물질로 이루어진 초기 우주에서 오늘날 물질이 지배하는 상태로 진화하려면 중입자 수 보존이 파괴될 가능성이 있다는 점은 이미 분명합니다. 물질과 반입자의 상호 작용 특성에 적절한 양의 차이가 있습니다. 초고에너지에서의 입자물리학의 법칙은 아직 숙달되지 않았기 때문에 자연이 실제로 이 두 가지 요소를 갖고 있는지에 대해서는 아직 답할 수 없습니다. 오늘날 우주의 천체 문제가 이런 식으로 해결될 수 있을지는 완전히 확실하지 않습니다. 요컨대, 우주의 반물질의 신비를 완전히 밝히기 위해서는 아직 갈 길이 멀다. 사람들은 이 문제에 대한 해결책이 우주를 이해하는 데 중요할 뿐만 아니라 물리학에 미치는 영향도 심오할 것이라고 이미 예측할 수 있습니다. 다음은 소설 "천사와 악마"(댄 브라운 지음)에 언급된 내용입니다. 반물질은 현재 인류에게 알려진 가장 강력한 에너지원입니다. 100% 효율로 에너지를 방출할 수 있다(핵분열 확률은 1.5%). 반물질은 오염을 일으키거나 방사선을 생성하지 않습니다. 반물질의 작은 방울은 하루 종일 뉴욕시 전체의 운동 에너지를 유지할 수 있습니다.

너무 낙관하지 마십시오. 그 안에는 위험이 숨겨져 있을 수 있습니다. 반물질은 극도로 불안정하며, 접촉하는 모든 것을 재로 만들 수 있습니다. 심지어 공기도 예외는 아닙니다. 반물질 1g은 20만톤급 핵폭탄의 에너지와 맞먹는데, 이는 히로시마에 투하된 원자폭탄의 2000배가 넘는 위력이다. 물질과 반물질이 접촉하면 원자의 가장 바깥층에 있는 전자는 서로 반대 전하를 띠기 때문에 서로 상쇄됩니다. 핵에 있는 양성자도 같은 이유로 중성자와 강하게 충돌합니다. 중성자와는 반대되는 놀라운 에너지를 방출합니다. 아인슈타인은 이 완전한 에너지 방출 비율을 계산한 적이 있는데, 이 완전한 에너지 방출과 비교하면 핵분열은 안전 성냥을 켜는 것만큼 사소한 일입니다.