공부하고 정리하고

반입자라는 말을 들어보셨나요? 살면서 접하기는 힘든 말입니다. 반입자는 우리가 볼 수 없기 때문이죠.

댄 브라운의 소설 ‘천사와 악마’에서는 이 반물질로 만들어진 폭탄으로 일어나는 태러를 막기 위한 사투에 관한 이야기로 다루기도 했습니다. 여기서는 사용되는 폭탄 안의 반물질을 CERN에서 연구를 통해 만들어냈고 이를 모아서 통에 담아두었는데 이를 깨트리기라도 한다면 어마어마한 폭탄이 되어버린다고 나옵니다.

저는 이 책을 접했을 당시에 과학을 잘 몰랐기 때문에(물론, 지금도 잘 모릅니다.^^) 반물질은 공상과학에서 떠드는 그런 이야기인 줄 알았습니다. 아~ 작가가 소설 자~알 쓰네라고 말하면서 말이죠. 하지만 물리적인 개념 자체는 존재하고 또한 실제로 반물질이 존재하죠. 그럼 한 번 알아보겠습니다.

반입자란?

반입자는 우리가 알고 있는 각각의 입자들에 대해서 모든 물리적 상태가 동일하지만 가지는 전하가 반대인 입자를 말합니다. 그런데 생각해보세요. +전하와 -전하가 만나면 어떻게 되죠? 서로 끌리게 되죠? 즉, 각각의 입자와 반입자는 서로 상호작용으로 만나게 된다면 서로 끌어안으려고 할 것입니다. 그런데!! 이 입자와 반입자가 만나면 질량이 없는 광자의 형태로 에너지가 바뀌면서 전환됩니다. 아인슈타인의 상대성이론에서는 질량이 곧 에너지임을 말해줍니다.

그렇게 때문에 이 모든 질량이 에너지가 된다면 꽤 큰 에너지가 생기게 됩니다.

그런데 이렇게 입자와 반입자가 만나 광자로 바뀌는 쌍소멸 현상만 나타나는 것은 아닙니다. 쌍생성도 일어나는데 광자가 입자와 반입자로 나눠지면서 에너지에서 입자로 시각적으로 보았을 때는 무에서 유를 만들어 내는 현상도 있습니다. 하지만 이러한 반응이 아주 짧은 거리에서 순식간에 연속적으로 일어나기 때문에 관측하기는 힘듭니다.

반입자 왜?

반입자의 존재는 전자를 보면 이론적으로 필요하겠다는 생각이 듭니다. 전자를 들여다보면 우리의 아인슈타인에 의해 정지한 입자의 에너지는 E=mc2라고 알려져 있습니다. 운동을 하지 않을 때의 에너지입니다. 이 식에 따라 계산하면 0.511MeV라는 에너지가 전자 하나당 가지고 있습니다. 실제로도 그렇구요. 그럼 뭐가 문제일까요? 에너지를 계산할 때 원래는 이 전자가 스스로 가지고 있는 전하량에 의한 셀프에너지효과도 실제로 고려해야 합니다. 이때 이 셀프에너지효과를 고려하면 에너지는 매우 커집니다. 하지만 실제로는 그렇지 않죠. 현대에서는 이 셀프에너지효과를 반입자인 양전자에 의해 지워진다고 보고 있습니다. 그럼 우리가 관측하는 결과가 설명이 되기 때문입니다.

반입자 지금은?

지금도 반입자는 끊임없이 생겨나가 끊임없이 소멸합니다. 왜냐하면 우리 주변은 입자로 가득 차있기 때문이죠. 무슨 말이냐면 모래로 가득 차 있는 운동장에 물 한 바가지 가져와서 부어버린다고 운동장을 다 적실 수 없는 것입니다. 멀리서 보았을때는 부은지도 모르겠죠. 그래서 관측할만한 변화가 있기 위해서는 모래에 준하는 양만큼의 물이 있어야 하는것이지요. 그것처럼 현제의 세상은 입자로 가득차 있기에 반입자는 생기자마자 쌍소멸해버리는 운명을 마주칩니다.

왜 입자가…?

그럼 왜 입자가 이 세상을 다 차지하고 있냐구요? 이 부분은… 아직 명확히 설명이 되지 않는 것으로 알고 있습니다. 그저 태초에 빅뱅이 일어나고 처음에는 입자와 반입자도 없는 에너지 덩어리 상태로 존재했었는데 우주가 조금씩 온도가 낮아지면서 빛이라는 것이 생겨났고 입자와 반입자도 탄생했습니다. 이 때 처음에는 입자와 반입자가 반반씩 차지했을 겁니다. 이 세상을 말이죠. 하지만 입자가 한 개 혹은 두 개 혹은 몇 개 더 반입자보다 반응할 때마다 더 생겼을 것이고 결국 입자의 승리로 이 세상이 입자로 다 차버렸을 것으로 보입니다. 만약 입자가 승리하지 못했다면 우리는 존재할 수 없을뿐더러 우주의 형태도 존재하지 않았을수도 있을 겁니다.

양전자를 이용하자

반입자중에 현재 우리 삶에 깊숙히 들어와 있는 녀석이 있습니다. 바로 양전자인데요. 어디에 들어와 있냐구요? 의료분야에서 사용이 되고 있습니다. PET이라는 장비인데 풀네임은 Positron Emission tomogtaphy라 해서 양전자를 내는 물질을 먹고 이 장비로 찍으면 인체 내부의 영상을 찍을 수 있습니다. 양전자가 주변의 전자들과 만나서 쌍소멸을 하고 생기는 감마선을 계측하는 일종의 계측기 입니다.
자세한 내용은 제가 연재하고 있는 방사선 시리즈에서 다룰 예정이니까 소개는 그때 하도록 하겠습니다.

처음 이야기를 시작할 때 말한 반입자 폭탄 현실성이 있을까요? 반입자는 입자로 가득 찬 세상에서 반입자 혼자만으로는 살아갈 수 없습니다. 그렇기에 모여있다면 엄청난 폭탄이 될 수 있는 것입니다. 하지만 반대로 생각해보면 그렇게 반응성이 좋은 반입자를 어떻게 보관할까요? 이는 매우 힘든 기술이 될 것입니다. 그래서 아직까지는 핵무기는 걱정해도 반물질 폭탄은 걱정할 필요는 없겠네요.

“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글 이미지임을 알립니다”