흥미진진 과학스토리 ㉗ 반물질(antimatter) 1-우주에서 가장 완벽한 빛

둘이 만나면 뜨겁고 완벽하게, 그리고 단 한 톨의 재조차 남기지 않고 온전히 빛으로 타오르는 존재가 있다면 믿겠는가? 그런 신비한 존재가 바로 반물질(antimatter) 이다.

물질과 성질이 정반대인 반물질은 물질과 만나면 완벽하게 100% 빛 에너지로 변한다. 태양은 핵융합으로 질량의 1%만을 에너지로 바꾸고 있지만 반물질은 100% 에너지로 바뀐다. 반물질을 잘만 연구하면 에너지 걱정은 하지 않아도 되지 않을까? 그리고 고맙게도 이 꿈같은 물질은 이미 우리 곁에 있다.

반물질은 영국의 천재 물리학자 폴 디랙(1902-1984)의 방정식에서 처음 등장했다. 수식에서 먼저 발견되었기에 디랙 자신도 믿어야 할지 고민이었다고 한다. 자신의 방정식에 따르면 일반 물질과 정 반대의 성질을 가진 물질이 존재해야만 했던 것이다. 1928년에 수식에서 예견되었던 반물질이 4년 뒤, 먼 우주에서 날아오는 빛(cosmic ray)을 연구하던 칼 데이비드 앤더슨(1905-1991)에 의해서 확인되었다. 이 두 사람은 당연히 노벨상을 받게 된다.

앤더슨은 우주에서 날아오는 물질을 연구하던 중에 전자와 질량은 동일하지만 마이너스(-) 전하가 아닌 플러스(+) 전하를 가진 물질을 발견하게 된다.

전자의 짝인 양전자가 이렇게 발견되었고 디렉의 제안에 따라 ‘positron(양전자)‘ 이라고 부르게 된다.

당연히 다음 목표는 양성자의 반물질인 반양성자! 반양성자을 찾기 위해 제일 먼저 나선 것은 캘리포니아 공과대학(칼택) 이었다. 양성자를 가속시키는 장치인 베바트론을 이용하여 마침내 반양성자와 반중성자가 발견된다. 이로써 ‘양전자’ ‘반양성자’ ‘반중성자’가 실재 존재한다는 것이 증명된 것이다. 1955년, 칼택에서 해낸 일이다.

전자 1개와 양성자 1개가 만나면 우주에서 가장 흔한 ‘수소’가 된다. 이제 ‘양전자’ 와 ‘반양성자’가 이미 확인되었으니 ‘반수소’를 만들 수 있지 않을까?

그러나 1995년에야 유럽의 입자물리연구소(CERN)가 최초로 반수소를 만들어 낸다. 2011년에는 반수소를 겨우 15분간 유지하는데 성공했고, 2016년에는 반수소 원자의 물리량을 측정하여 에너지의 상태가 보통의 수소와 동일하다는 것을 발견했다.

반수소가 있으니 이제 반탄소나 반산소 같은 물질도 당연히 가능하다고 본다. 나아가 반물질로 가득한 우주도 상상해 본다.

반물질은 의외로 우리 주위에 가까이 있다. 의료 장비인 ’양전자 단층촬영장치(positron emission tomography, 이하 PET)‘를 한번쯤은 들어 보았거나 촬영을 경험했을 것이다. 이 장치는 반물질인 양전자가 암세포 안에서 전자와 만나서 방출하는 감마선을 추적하여 정밀한 영상을 얻는다. 감마선으로 선명한 영상을 얻을 수 있기 때문에 자기공명단층촬영장치(NMR-CT) 보다 20배 이상 높은 해상도의 영상을 얻을 수 있어서 질병진단에 중요한 역할을 한다.

‘과학책을읽는보통사람들‘ 회원 허심

#61호