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반물질(antimatter)의 포획과 측정, 그리고 미래
물질은 보통 양성자, 중성자 및 전자로 구성되어 있는데 반물질은 반대로 반양성자, 반중성자 및 반전자로 구성되어 있는 것을 말합니다. 반입자는 물질과 모든 성질이 같지만 전기적 성질이 반대인 것을 말합니다. 물질이 입자들로 이루어져 있는 것처럼 반물질은 반입자로 구성되어 있습니다.
1930년에 폴 디랙(Paul Dirac)이 처음 반전자(positron)가 있을 것이라고 예상했고, 1931년 칼 앤더슨(Carl D. Anderson)이 반전자가 실제로 존재한다는 것을 증명하였습니다. 이후 반양성자, 반중성자 등이 계속 발견되면서 전자, 양성자, 중성자의 반물질이 모두 확인되었습니다.
물질과 반물질이 만나면 폭발이 일어나면서 물질과 반물질을 합친 만큼의 에너지를 방출하면서 물질은 없어집니다. 따라서 반물질을 연구하기 위해서는 이를 충분한 시간 동안 물질로 격리시켜야 합니다. 그런데 반물질을 찾아서 잡아두는 것은 매우 어려운 일입니다.
과학자들은 입자가속기를 통해 반물질을 찾아내기 위한 실험을 꾸준히 해 왔습니다. 유럽원자핵공동연구소(CERN)에서는 2011년에 수소반물질 원자를 1,000초 동안 잡아두는 데 성공했습니다. 또한 이들은 2016년 10월 최근 분광계를 통해 수소반물질 원자의 내부상태를 처음으로 측정하는데 성공했다고 네이처誌에 발표했습니다. CERN의 연구진은 이번 측정이 아주 정확한 것은 아니지만 반물질 원자를 측정한 최초의 사례라는 데에 의미를 부여했습니다.
반물질의 존재, 그리고 우주에서 물질과 반물질의 비대칭적인 구성, 즉 우주에 반물질보다 물질이 훨씬 많은 것은 우주의 창조 및 진화과정에 늘 의문을 갖게 만들었습니다. 과학자들은 빅뱅으로 우주가 탄생한 이후 처음에는 물질과 반물질이 대등하게 존재했지만, 반물질이 일반물질과 상쇄되어 사라지고, 남은 일반 물질들이 현재의 우주를 구성하고 있다고 생각하고 있습니다.
반물질의 또 다른 측면은 물질과 반물질이 충돌할 때 현재 세상에 존재하는 에너지와 비교할 수 없을 정도의 엄청난 양의 에너지를 만들어 낸다는 것입니다. 영화 스타트랙에 나오는 우주선 '엔터프라이즈'호는 반물질을 동력으로 비행합니다. 최근 나사(미연방항공우주국)와 민간에서도 반물질을 에너지원으로 하는 우주선을 개발하려고 하고 있습니다. 반물질의 신비가 하나씩 밝혀지고 기술이 발전하면 먼 미래에는 인간이 우주의 신비를 찾아 자유롭게 항해할 수 있는 시대가 올 수 있을까요?
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