반물질

Antimatter
음의 질량이나 암흑 물질과 혼동하지 말 것.
기타 용도는 반물질(동음이의)을 참조하십시오.
1932년 8월 2일, 최초로 관측된 양전자의 구름실 사진.
반물질
A Feynman diagram showing the annihilation of an electron and a positron (antielectron), creating a photon that later decays into an new electron–positron pair.
반입자

오니아

개념과 현상
장치들
사용하다
사람과 몸
현대물리학

슈뢰딩거와 아인슈타인 장방정식
파운더스
컨셉트
나뭇가지
사이언티스트
분류

현대 물리학에서 반물질은 "일반적인" 물질에서 해당 입자의 반입자(또는 "파트너")로 구성된 물질로 정의되며, CPT 반전이라고 알려진 전하, 패리티 및 시간이 역전된 물질로 간주될 수 있습니다.반물질은 우주선 충돌과 몇몇 종류의 방사성 붕괴와 같은 자연적인 과정에서 발생하지만, 이들 중 극히 일부만이 성공적으로 결합되어 반원자를 형성하고 있습니다.입자 가속기에서 극소수의 반입자가 생성될 수 있지만, 총 인공적인 생산은 몇 나노그램에 불과합니다.[1]제작과 취급의 비용이 너무 많이 들고 어려움 때문에 거시적인 양의 반물질이 조립된 적이 없습니다.그러나, 반물질은 양전자 방출 단층 촬영, 방사선 치료, 산업 영상 촬영과 같은 베타 붕괴와 관련된 광범위한 응용 분야에서 필수적인 요소입니다.

이론적으로, 입자와 그 반입자(예를 들어, 양성자와 반양성자)는 질량은 같지만 전하량은 반대이고, 양자수는 다른 차이가 있습니다.

어떤 입자와 반입자 파트너 사이의 충돌은 그들의 상호 소멸을 초래하며, 다양한 비율의 강렬한 광자(감마선), 중성미자, 그리고 때로는 덜 거대한 입자-반입자 쌍을 발생시킵니다.소멸 에너지의 대부분은 전리방사선의 형태로 나타납니다.만약 주변 물질이 존재한다면, 이 방사선의 에너지 내용물은 흡수되어 열이나 빛과 같은 다른 형태의 에너지로 변환될 것입니다.방출되는 에너지의 양은 일반적으로 주목할 만한 질량-에너지 등가 방정식인 E=mc에 따라 충돌한 물질과 반물질의 총 질량에 비례합니다.

반입자들은 일반 입자들이 정상 물질을 형성하기 위해 결합하는 것처럼 서로 결합하여 반물질을 형성합니다.예를 들어, 양전자(전자의 반입자)와 반양성자(양성자의 반입자)는 반수소 원자를 형성할 수 있습니다.항헬륨의 핵은 비록 어려움이 있지만 인공적으로 만들어졌으며 지금까지 관찰된 것 중 가장 복잡한 항핵입니다.[3]물리적 원리는 복잡한 반물질 원자핵과 알려진 화학 원소에 상응하는 반원자가 가능하다는 것을 나타냅니다.

관측 가능한 우주는 물질과 반물질의 동등한 혼합과는 반대로 거의 전적으로 보통 물질로 구성되어 있다는 강력한 증거가 있습니다.[4]눈에 보이는 우주에서 물질과 반물질의 비대칭성은 물리학에서 해결되지 않은 큰 문제 중 하나입니다.[5]물질과 반물질 입자 사이의 이러한 불평등이 발생하는 과정을 중생성이라고 합니다.

정의들

반물질 입자는 물질 입자와 동일한 전하를 갖지만 반대의 부호를 갖습니다.즉, 반양성자는 음으로 대전되고 반전자(양전자)는 양으로 대전됩니다.중성자는 순전하를 띠지 않지만 구성 쿼크는 전하를 띠지 않습니다.양성자와 중성자의 중입자수는 +1이고, 반양자와 반중성자의 중입자수는 –1입니다.마찬가지로 전자의 경입자 수는 +1인 반면 양전자의 경입자 수는 –1입니다.입자와 그에 상응하는 반입자가 충돌할 때, 둘 다 에너지로 변환됩니다.[6][7][8]

콘트라 테렌이라는 프랑스어 용어는 시티 쉽과 같은 소설에서 사용되는 이니셜리즘 "C.T."와 공상과학 용어 "시티"[9][10]

개념사

부정적인 물질에 대한 생각은 지금은 버려져 있는 물질에 대한 과거의 이론에서 나타납니다.한때 대중적이었던 중력의 소용돌이 이론을 사용하여, 음의 중력을 가진 물질의 가능성은 1880년대에 윌리엄 힉스에 의해 논의되었습니다.1880년대와 1890년대 사이에 칼 피어슨(Karl Pearson)은 에테르의 흐름의 "거저리"[11]와 싱크대의 존재를 제안했습니다.멍게는 정상적인 물질을, 싱크대는 부정적인 물질을 나타냅니다.피어슨의 이론은 에테르가 유입되고 유입되기 위해서는 네 번째 차원이 필요했습니다.[12]

반물질이라는 용어는 아서 슈스터가 1898년 네이처에 보낸 다소 기발한 두 통의 편지에서 처음으로 사용되었으며,[13] 그는 이 용어를 만들었습니다.그는 반물질 태양계 전체뿐만 아니라 반물질 원자에 대해서도 가설을 세웠고, 물질과 반물질이 서로를 소멸시킬 가능성에 대해서도 논의했습니다.슈스터의 아이디어는 진지한 이론적 제안이 아니었고, 단지 추측에 불과했으며, 이전의 아이디어와 마찬가지로 음의 중력을 가지고 있다는 점에서 반물질의 현대적 개념과 차이가 있었습니다.[14]

반물질에 대한 현대 이론은 폴 디랙의[15] 논문으로 1928년에 시작되었습니다.디랙은 전자에 대한 그의 상대론적인 슈뢰딩거 파동 방정식이 반전자의 가능성을 예측한다는 것을 깨달았습니다.디랙은 이러한 "항전자"의 존재에 대한 토대를 마련했지만, 처음에는 자신의 방정식 안에 포함된 의미를 파악하지 못했습니다.그는 그 통찰력에 대해 로버트 오펜하이머에게 자유롭게 공을 돌렸는데, 그의 신간 논문 "전자와 양성자에 관한 이론"(1930년 2월 14일)은 디랙의 방정식을 바탕으로 양전하를 띤 전자(양전자)의 존재를 주장했는데, 전자의 상대물로서 전자 자체와 질량이 같아야 한다는 것입니다.이것은 디랙이 실제로 제안했던 것처럼 양성자가 될 수 없다는 것을 의미했습니다.이것들은 칼 D에 의해 발견되었습니다. 1932년 앤더슨은 양전자를 "양전자"에서 따왔습니다.디랙이 직접 반물질이라는 용어를 사용하지는 않았지만, 그것의 사용은 자연적으로 충분히 반전자, 반양자 등에서 유래합니다.[16]반물질에 대한 완전한 주기율표는 1929년 찰스 자넷에 의해 구상되었습니다.[17]

파인만-슈테켈베르크 해석에 따르면 반물질과 반입자는 시간을 거슬러 이동하는 규칙적인 입자입니다.[18]

표기법

반입자를 나타내는 한 가지 방법은 입자 기호 위에 막대를 추가하는 것입니다.예를 들어, 양성자와 반양성자는 각각 p와
p로
표시됩니다.구성 요소별로 입자를 다루는 경우에도 동일한 규칙이 적용됩니다.양성자는 ud



 쿼크로 구성되어 있으므로 반양성자는 ud




 반쿼크로 형성되어야 합니다.또 다른 관례는 양전하와 음전하로 입자를 구분하는 것입니다.따라서, 전자와 양전자는 각각 e와−
+
e로 간단히 표시됩니다.그러나 혼란을 막기 위해 두 협약은 절대로 섞이지 않습니다.

특성.

반물질의 이론화된 반중력 특성은 현재 CERN의 이지스와 알파-g 실험에서 테스트되고 있습니다.[19]물질과 반물질, 그리고 반물질과 반물질 사이에 있을 수 있는 중력 효과를 연구하기 위한 연구가 필요합니다.그러나, 반물질을 포획하고 함유하는 현재의 어려움과 함께, 둘이 언제 그들을 만날지를 고려할 때 연구는 어렵습니다.

반입자가 모든 전하(전기 전하와 중입자 전하 등)에 다른 부호를 가지고 있다는 사실 외에도 물질과 반물질이 정확히 같은 성질을 가지고 있다고 믿는 이론적 근거가 있습니다.[20][21]즉, 입자와 해당 반입자의 질량은 동일해야 하며 수명은 동일해야 합니다(불안정한 경우).예를 들어, 반물질("항성")로 이루어진 별이 일반적인 별처럼 빛날 것이라는 것도 암시합니다.[22]이 아이디어는 2016년 ALPHA 실험에 의해 실험적으로 테스트되었으며, 이 실험은 수소의 가장 낮은 에너지 상태 사이의 전이를 측정했습니다.수소와 동일한 결과는 반물질에 대한 양자역학의 타당성을 확인했습니다.[23][24]

2023년 9월 27일, 물리학자들은 반물질 입자가 중력장에서 정상적인 물질과 유사한 방식으로 행동한다는 개념을 지지하는 연구를 보고했습니다.[25][26]

원산지 및 비대칭

참고 항목:중생성
과학자들이 페르미 감마선 우주 망원경의 감마선 검출기를 사용하여 뇌우로부터 반물질의 폭발을 알아내는 방법을 보여주는 비디오
지상파 감마선이 하루에 500번 정도 발생합니다.붉은 점들은 2010년 페르미 감마선 우주 망원경에 의해 발견된 점들을 보여줍니다.파란색 영역은 지상 감마선 섬광에 대한 잠재적 번개가 발생할 수 있는 위치를 나타냅니다.

지구에서 관측 가능한 대부분의 물질은 반물질이라기 보다는 물질로 이루어져 있는 것 같습니다.반물질이 지배하는 공간 영역이 존재한다면, 물질과 반물질 영역 사이의 경계를 따라 소멸 반응에서 생성되는 감마선을 검출할 수 있을 것입니다.[27]

고에너지 입자 충돌이 일어나는 우주의 모든 곳에서 반입자가 생성됩니다.지구 대기(또는 태양계의 다른 물질)를 타격하는 고에너지 우주선은 생성된 입자 제트에서 미세한 양의 반입자를 생성하고, 이는 가까운 물질과의 접촉에 의해 즉시 소멸됩니다.이들은 은하수 중심과 다른 은하들과 같은 지역에서 비슷하게 생성될 수 있는데, 이 지역에서는 매우 에너지가 넘치는 천체 사건이 발생합니다(주로 성간매질과 상대론적 제트의 상호작용).생성된 반물질의 존재는 양전자가 주변 물질과 함께 소멸될 때마다 생성되는 두 개의 감마선에 의해 감지될 수 있습니다.감마선의 진동수와 파장은 각각 511keV의 에너지(즉, 전자의 나머지 질량에 c를2 곱한 것)를 전달한다는 것을 나타냅니다.

유럽우주국의 통합 위성에 의한 관측은 은하 중심을 둘러싸고 있는 거대한 반물질 구름의 기원을 설명할 수 있습니다.관측 결과, 이 구름은 비대칭적이며 대부분 은하 중심의 한 면에 있는 X선 쌍성계(블랙홀 또는 중성자별을 포함하는 쌍성계)의 패턴과 일치합니다.메커니즘은 완전히 이해되지는 않지만, 일반적인 물질이 항성 잔해에 떨어지는 동안 운동 에너지를 얻기 때문에 전자-양전자 쌍의 생성을 수반할 가능성이 있습니다.[28][29]

반물질은 우주의 원시 시간에 우주 팽창으로 인해 먼 은하계에 비교적 많은 양으로 존재할 수 있습니다.반물질은하가 존재한다면 정상적인 물질은하와 동일한 화학적 성질과 흡수 및 방출 스펙트럼을 가질 것으로 예상되며, 천문학적인 물체는 관측적으로 동일하여 구별하기가 어렵습니다.[30]NASA는 충돌하는 초은하단에서 소멸 사건의 X선과 감마선 신호를 찾음으로써 그러한 은하가 존재하는지를 판단하려고 노력하고 있습니다.[31]

2017년 10월, CERN에서 BASE 실험을 진행 중인 과학자들은 반양성자 자기 모멘트의 정밀도를 10억분의 1로 측정했다고 보고했습니다.[32][33]CPT 대칭 가설을 뒷받침하는 양성자 자기 모멘트의 가장 정확한 측정(2014년 BASE에서도 수행됨)과 일치합니다.이 측정은 반물질의 특성이 물질의 동등한 특성보다 더 정확하게 알려진 첫 번째 경우를 나타냅니다.

반물질 양자 간섭계는 2018년 마르코 지암마르치(Marco Giammarchi)가 이끄는 그룹에 의해 코모(Como)의 라파엘 페라굿(Rafael Ferragut)의 양전자 연구소(L-NESS)에서 처음으로 입증되었습니다.[34]

자연생산

주요 기사:양전자 방출

양전자는 자연적으로 발생하는 방사성 동위원소(예: 칼륨-40)의 β+ 붕괴와 감마 양자(방사성 핵에 의해 방출되는)와 물질의 상호작용에서 자연적으로 생성됩니다.항뉴트리노는 자연 방사능(β− 붕괴)에 의해 생성된 또 다른 종류의 반입자입니다.많은 다른 종류의 반입자들은 또한 우주선에 의해 생성됩니다.2011년 1월, 미국 천문학회의 연구는 뇌우 구름 위에서 기원하는 반물질 (양전자)을 발견했습니다; 양전자는 구름 안의 강한 전기장에 의해 가속된 전자에 의해 만들어진 지상 감마선 섬광에서 생성됩니다.[35][36]PAMELA 모듈을 통해 지구 주변의 반 알렌 벨트에도 반양자가 존재하는 것으로 확인되었습니다.[37][38]

반입자는 또한 충분히 높은 온도(쌍 생성 임계값보다 큰 입자 에너지 평균)를 가진 모든 환경에서 생성됩니다.우주가 극도로 뜨겁고 밀도가 높았던 중생성 시기에는 물질과 반물질이 끊임없이 생성되고 소멸되었다는 가설이 있습니다.잔류 물질의 존재와 검출 가능한 잔류 반물질의 부재를 중입자 비대칭이라고 합니다.[39]중입자 생성 동안 이러한 비대칭성을 만들어낸 정확한 메커니즘은 여전히 해결되지 않은 문제로 남아 있습니다.이러한 비대칭성에 필요한 조건 중 하나는 약한 상호작용에서 실험적으로 관찰된 CP 대칭성의 위반입니다.

최근의 관측에 따르면 블랙홀과 중성자별은 제트를 통해 방대한 양의 양전자-전자 플라즈마를 생성합니다.[40][41]

우주 광선에서의 관측

주요 기사:우주 광선

위성 실험은 일차 우주선에서 양전자와 몇 개의 반양성자의 증거를 발견했는데, 이는 일차 우주선에서 입자의 1% 미만에 달합니다.이 반물질이 모두 빅뱅에서 생성된 것은 아니며, 높은 에너지에서 순환과정을 통해 생성된 것으로 추정됩니다.예를 들어, 자화된 중성자별 회전 주기가 별 표면에서 전자-양전자 쌍을 전단하기 때문에, 전자-양전자 쌍은 펄서로 형성될 수 있습니다.거기서 반물질은 원시 초신성의 분출과 충돌하는 바람을 형성합니다.이러한 풍화 현상은 "별이 발사한 차갑고 자화된 상대론적 바람이 상대적으로 팽창하지 않는 분출물에 부딪혀 충격파 시스템이 형성되고 외부의 분출물은 분출물에서 전파되는 반면 역방향 충격은 별을 향해 전파됩니다."[42]외부 충격파에서 물질의 이전 방출과 역 충격파에서 반물질의 후자 생성은 우주 기상 주기의 단계입니다.

국제 우주 정거장에서 현재 작동 중인 알파 자기 분광기(AMS-02)의 예비 결과는 우주선의 양전자가 방향성 없이 10 GeV에서 250 GeV 범위의 에너지로 도착한다는 것을 보여줍니다.2014년 9월, 거의 두 배에 달하는 데이터를 포함한 새로운 결과가 CERN의 강연에서 발표되었고 Physical Review Letters에 게재되었습니다.[43][44]500 GeV까지의 양전자 분율에 대한 새로운 측정 결과가 보고되었으며, 양전자 분율은 약 275 ± 32 GeV의 에너지로 총 전자+양전자 사건의 최대 약 16%에서 최대로 정점을 찍는 것으로 나타났습니다.500 GeV까지 높은 에너지에서는 전자에 대한 양전자의 비율이 다시 떨어지기 시작합니다.양전자의 절대 플럭스는 또한 500 GeV 이전에 떨어지기 시작하지만, 약 10 GeV에 달하는 전자 에너지보다 훨씬 높은 에너지에서 최고점을 찍습니다.[45]해석에 대한 이러한 결과는 거대한 암흑 물질 입자의 소멸 사건에서 양전자 생성으로 인한 것으로 제시되었습니다.[46]

또한 우주 광선 반양자는 보통 물질의 반양자보다 훨씬 더 높은 에너지를 가지고 있습니다.그들은 최대 2 GeV의 특징적인 에너지를 가지고 지구에 도착하는데, 이는 평균적으로 에너지의 6분의 1밖에 없는 우주선 양성자와 근본적으로 다른 과정에서 그들의 생성을 나타냅니다.[47]

우주 광선에서 반헬륨 핵(즉, 반알파 입자)과 같은 더 큰 반물질 핵에 대한 연구가 계속되고 있습니다.자연적인 항헬륨의 발견은 항성과 같은 큰 반물질 구조의 존재를 의미할 수 있습니다.AMS-02의 원형인 AMS-01은 1998년 6월 우주왕복선 디스커버리호에 실려 우주로 날아갔습니다.AMS-01은 항헬륨을 전혀 검출하지 않음으로써 항헬륨 대 헬륨 플럭스 비율의 상한을 1.1×10으로−6 설정했습니다.[48]AMS-02는 2016년 12월에 수십억 개의 헬륨 원자핵 사이에서 항헬륨 원자핵과 일치하는 몇 가지 신호를 발견했다고 발표했습니다.결과는 아직 검증이 남아있고, 팀은 현재 오염을 배제하려고 노력하고 있습니다.[49]

인공생산

양전자

주요 기사:양전자

양전자는 2008년 11월 로렌스 리버모어 국립 연구소에 의해 이전의 어떤 합성 과정보다 더 많은 수가 생성되었다고 보고되었습니다[50].레이저는 금 타겟의 핵을 통해 전자를 몰아 넣었고, 이것은 들어오는 전자가 물질과 반물질 둘 다로 붕괴되는 에너지 양자를 방출하게 했습니다.양전자는 실험실에서 이전보다 더 높은 속도와 더 높은 밀도로 검출되었습니다.이전의 실험들은 레이저와 종이처럼 얇은 타겟을 사용하여 더 적은 양의 양의 양전자를 만들었습니다. 새로운 실험들은 초강력 레이저의 짧은 폭발과 밀리미터 두께의 금이 훨씬 더 효과적인 원천이라는 것을 보여주었습니다.[51]

항양성자, 항중성자, 항핵

주요 기사:항양성자와 항중성자

1955년 캘리포니아 대학교 버클리 물리학자 에밀리오 세그레와 오웬 체임벌린에 의해 반양성자의 존재가 실험적으로 확인되었고, 1959년 노벨 물리학상을 수상했습니다.[52]반양성자는 두 개의 위 안티쿼크와 하나의 아래 안티쿼크(
uud)로




구성됩니다.측정된 반양성자의 특성은 양성자와 반대되는 전하와 자기 모멘트를 갖는 반양성자를 제외하고는 모두 양성자의 상응하는 특성과 일치합니다.그 직후 1956년 브루스 코크와 동료들에 의해 반중성자가 베바트론(로렌스 버클리 국립 연구소)에서 양성자와 양성자 충돌로 발견되었습니다.[53]

항바이러스제 이외에도, 복수의 결합된 항양성자와 항중성자로 구성된 항핵이 생성되었습니다.이들은 반물질 원자를 형성하기에는 일반적으로 너무 높은 에너지에서 생성됩니다(전자 대신 결합된 양전자가 있음).1965년 안토니노 지치치가 이끄는 한 연구팀은 CERN의 양성자 싱크로트론에서 항중성핵의 생성을 보고했습니다.[54]거의 동시에, 브룩헤이븐 국립 연구소의 교대 경사도 싱크로트론의 미국 물리학자 그룹에 의해 반중성핵의 관측이 보고되었습니다.[55]

반수소 원자

주요 기사:수소방지
반물질설비
저에너지 반양성자 고리 (1982–1996)
항양성자 축척기항양성자 생성
안티 양성자 수집기감속 저장된 안티프론트
반물질 공장 (2000년 ~ 현재)
반양성자 감속기(AD)반양성자를 감속시킵니다.
엑스트라 로우 에너지 안티 양성자 링 (ELENA)AD에서 수신한 반양성자를 감속시킵니다.

1995년, CERN은 PS210 실험 동안 SLAC/Fermilab 개념을 구현하여 9개의 고온의 수소 원자를 성공적으로 구현했다고 발표했습니다.이 실험은 저에너지 반양성자 고리(LEAR)를 사용하여 수행되었으며, 월터 오엘러트와 마리오 마크리가 이끌었습니다.[56]페르미랩은 곧 그들의 시설에서 약 100개의 반수소 원자를 생산함으로써 CERN의 발견을 확인했습니다.PS210 및 후속 실험(CERN 및 Fermilab 모두에서) 동안 생성된 반수소 원자는 매우 에너지가 넘쳤고 연구에 적합하지 않았습니다.이러한 장애를 해결하고 안티수소에 대한 더 나은 이해를 얻기 위해 1990년대 후반에 ATENA와 ATRAP라는 두 개의 협력이 형성되었습니다.

1999년, CERN은 안티프로톤을 3.5 GeV에서 5.3 MeV로 감속시킬 수 있는 장치인 안티프로톤 감속기를 가동했습니다. 연구 효과적인 안티수소를 생산하기에는 여전히 너무 "뜨겁지만" 큰 발전을 이루었습니다.2002년 말, 아테나 프로젝트는 그들이 세계 최초의 "냉온" 수소를 만들었다고 발표했습니다.[57]ATRAP 프로젝트는 그 직후 비슷한 결과를 발표했습니다.[58]이 실험에 사용된 반양성자는 반양성자 감속기로 감속시켜 얇은 호일 시트를 통과시킨 후 최종적으로 페닝-맬버그 트랩에 포획함으로써 냉각되었습니다.[59]전체적인 냉각 프로세스는 작동 가능하지만 매우 비효율적입니다. 약 2,500만 개의 반양성자가 반양성자 감속기를 떠나고 약 25,000개가 페닝-맬버그 트랩에 도달합니다.1,000분의 1 또는 원래 금액의 0.1%.

처음에 갇혔을 때 반양성자는 여전히 뜨겁습니다.그것들을 더 식히기 위해, 그것들은 전자 플라즈마에 섞입니다.이 플라즈마의 전자는 사이클로트론 복사를 통해 냉각된 다음 쿨롱 충돌을 통해 반양자를 교감적으로 냉각시킵니다.결국 짧은 기간의 전기장을 적용하여 전자를 제거하고 에너지가 100meV 미만인 반양자를 남깁니다.[60]첫 번째 트랩에서 반양자가 냉각되는 동안, 방사성 나트륨으로부터 수르코 스타일의 양전자 축적기에서 작은 양전자 구름이 포획됩니다.[61]그리고 나서 이 구름은 반양성자 근처의 두 번째 덫에 걸려 탈환됩니다.트랩 전극을 조작하면 반양성자가 양전자 플라즈마로 팁을 주고, 일부는 반양성자와 결합하여 반수소를 형성합니다.이 중성적인 반수소는 대전된 양전자와 반양자를 포획하는 데 사용되는 전기장과 자기장에 영향을 받지 않으며, 몇 마이크로초 안에 반수소가 포획 벽에 부딪혀 소멸됩니다.수억 개의 반수소 원자가 이런 방식으로 만들어졌습니다.

2005년, ATENA는 해체되었고 이전 멤버들 중 일부는 (다른 멤버들과 함께) CERN에 기반을 둔 알파 콜라보레이션을 결성했습니다.이 노력의 궁극적인 목표는 수소와 반수소의 원자 스펙트럼 비교를 통해 CPT 대칭성을 시험하는 것입니다(수소 스펙트럼 시리즈 참조).[62]

안티수소의 특성에 대한 대부분의 요구되는 고정밀 테스트는 안티수소가 갇힌 경우, 즉 상대적으로 오랫동안 제자리에 있어야만 수행할 수 있었습니다.반수소 원자가 전기적으로 중성인 반면, 성분 입자의 스핀은 자기 모멘트를 생성합니다.이러한 자기 모멘트는 비균질 자기장과 상호 작용할 수 있습니다. 반수소 원자 중 일부는 자기 최소값으로 끌릴 수 있습니다.이러한 최소값은 미러 필드와 다극 필드의 조합으로 만들 수 있습니다.[63]2010년 11월, ALPHA 공동 연구는 약 6분의 1초 동안 38개의 반수소 원자를 가두었다고 발표했습니다.[64][65]이것은 중성 반물질이 갇힌 최초의 사례였습니다.

2011년 4월 26일, 알파는 309개의 반수소 원자를 가뒀다고 발표했습니다.이것은 이전에 중성 반물질이 갇혀 있었던 것보다 더 길었습니다.[66]알파는 이러한 갇힌 원자들을 이용하여 항수소의 스펙트럼 특성에 대한 연구를 시작했습니다.[67]

2016년에는 새로운 반양성자 감속기 및 냉각기인 엘레나(ELENA)가 제작되었습니다.이 장치는 반양성자 감속기에서 반양성자를 가져와 90keV로 냉각시켜 연구하기에 충분한 "냉기"입니다.이 기계는 높은 에너지를 사용하고 챔버 내의 입자를 가속시킴으로써 작동합니다.1초에 백 개 이상의 반양자를 포획할 수 있는데, 이것은 엄청난 발전이지만, 반물질의 나노그램을 만들기 위해서는 여전히 몇 천 년이 걸릴 것입니다.

반물질의 대규모 생산에 있어서 가장 큰 제약 요인은 반양성자의 이용 가능성입니다.CERN이 발표한 최근 데이터에 따르면 완전 가동 시 설비는 분당 1,000만 개의 반양성자를 생성할 수 있다고 합니다.[68]항양성자가 항수소로 100% 전환된다고 가정할 때, 1g 또는 1몰의 항수소(약 6.02×1023 원자)를 생산하는 데는 1,000억 년이 걸릴 것입니다.그러나 CERN은 Fermilab이 생산하는 반물질의 1%만 생산하며, 둘 다 반물질을 생산하도록 설계되지 않았습니다.Gerald Jackson의 말에 따르면, 오늘날 이미 사용되고 있는 기술을 이용하면 시설당 연간 6억 7천만 달러의 비용으로 연간 20g의 반물질 입자를 생산하고 포획할 수 있습니다.[citation needed]

항헬륨

항헬륨-3 핵(He
)3
은 1970년대에 Y에 의해 고에너지 물리학 연구소의 양성자-핵 충돌 실험에서 처음으로 관측되었습니다.프로코슈킨의 그룹(모스크바 근처의 프로트비노)[69]은 나중에 핵-핵 충돌 실험에서 생성되었습니다.[70]핵-핵 충돌은 이러한 반응에서 생성된 항양성자와 항중성자의 결합을 통해 항핵을 생성합니다.2011년, STAR 검출기는 그러한 충돌로부터 인공적으로 생성된 항헬륨-4 핵(항알파 입자)(4
He
)이 관찰되었다고 보고했습니다.[71]

국제우주정거장의 알파 자기분광기는 2021년 현재 항헬륨-3 검출을 나타내는 것으로 보이는 8개의 사건을 기록했습니다.[72][73]

보존

반물질은 일반적인 물질로 만들어진 용기에 저장될 수 없습니다. 반물질은 그것이 닿는 어떤 물질과도 반응하여 그 자신과 같은 양의 용기를 소멸시키기 때문입니다.대전된 입자 형태의 반물질은 페닝 트랩이라고 불리는 장치에 전기장과 자기장의 조합으로 포함될 수 있습니다.그러나 이 장치는 원자 트랩이 사용되는 대전되지 않은 입자로 구성된 반물질을 포함할 수 없습니다.특히 이러한 트랩은 포획된 입자의 쌍극자 모멘트(전기 또는 자기)를 사용할 수 있습니다.고진공에서는 자기 광학 트랩 또는 자기 트랩을 사용하여 약간의 비공진 레이저 방사선으로 물질 또는 반물질 입자를 트랩하고 냉각할 수 있습니다.작은 입자는 고도로 집속된 레이저 빔을 사용하여 광학 핀셋으로 매달 수도 있습니다.[74]

2011년 CERN 과학자들은 약 17분 동안 수소 방지제를 보존할 수 있었습니다.[75]항입자 저장 기록은 현재 CERN의 TRAP 실험에 의해 보유되고 있습니다. 항입자는 405일 동안 페닝 트랩에 보관되었습니다.[76]2018년에는 휴대용 장치에 10억 개의 안티프로톤을 담을 수 있을 정도로 발전된 격납 기술을 개발하여 추가 실험을 위해 다른 실험실로 운반할 것을 제안했습니다.[77]

비용.

과학자들은 반물질이 만드는 데 가장 비용이 많이 드는 물질이라고 주장합니다.[78]2006년에 제럴드 스미스는 2억 5천만 달러가 양전자[79] 10밀리그램을 생산할 수 있다고 추정했습니다. 1999년에 NASA는 양전자 1그램당 62조 5천억 달러를 생산했습니다.[78]이는 생산이 어렵기 때문이며(입자 가속기의 반응에서 생성되는 반양성자는 극소수에 불과함), 입자 가속기의 다른 용도에 대한 수요가 더 높기 때문입니다.CERN에 따르면, 약 10억 분의 1그램(입자/반입자 충돌에 지금까지 사용된 양)을 생산하는 데 몇 억 스위스 프랑의 비용이 들었습니다.[80]이에 비해, 최초의 핵무기를 생산하기 위해 2007년 동안 인플레이션과 함께 맨해튼 계획의 비용은 230억 달러로 추산되었습니다.[81]

나사 고등개념연구소가 자금을 지원하는 몇몇 연구들은 지구의 반 알렌대에서 자연적으로 발생하는 반물질, 그리고 궁극적으로 목성과 같은 거대 가스 행성들의 벨트들을, 바라건대 1그램 당 더 낮은 비용으로 수집하기 위해 자기 스쿱을 사용하는 것이 가능한지를 탐구하고 있습니다.[82]

사용하다

의료의

PET/CT 시스템

물질-반물질 반응은 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 같은 의료 영상에 실용적인 응용이 있습니다.양성 베타 붕괴에서 핵종은 양전자를 방출함으로써 잉여 양전하를 잃습니다(같은 경우 양성자는 중성자가 되고 중성미자도 방출됨).잉여 양전하를 갖는 핵종은 사이클로트론에서 쉽게 만들어지며 의료용으로 널리 생성됩니다.항양성자는 또한 실험실 실험에서 현재 이온(양성자) 치료에 사용되는 유사한 방법으로 특정 암을 치료할 가능성이 있는 것으로 나타났습니다.[83]

연료

분리되어 저장된 반물질은 반물질 촉매 핵펄스 추진 또는 다른 반물질 로켓의 일부로서 행성간 또는 성간 이동을[84] 위한 연료로 사용될 수 있습니다.반물질의 에너지 밀도가 기존 연료의 에너지 밀도보다 높기 때문에 반물질 연료 우주선은 기존 우주선보다 추력 대 무게 비율이 더 높을 것입니다.

만약 물질과 반물질의 충돌이 광자 방출만을 초래한다면, 입자의 전체 나머지 질량은 운동 에너지로 변환될 것입니다.단위 질량당 에너지(9×1016 J/kg)는 화학 에너지보다 약 10배 크며,[85] 오늘날 핵분열(핵분열[86] 반응당 약 200 MeV 또는13 8×10 J/kg)을 사용하여 방출할 수 있는 핵 퍼텐셜 에너지보다 약 3배 크며, 가능한 최상의 결과보다 약 2배 크며,핵융합으로 예상됨(양성자-양성자 사슬의 경우 약 6.3×1014 J/kg).1 kg의 반물질과 1 kg의 물질의 반응은 1.8×1017 J (180 페타줄)의 에너지를 생성할 것이며, 이는2 TNT 43 메가톤에 해당하는 양으로, 지금까지 폭발한 열핵 무기 중 가장 큰 27,000 kg의 차르 봄바의 산출량보다 약간 작습니다.

그 모든 에너지가 어떤 현실적인 추진 기술에 의해서도 활용될 수 있는 것은 아닙니다. 왜냐하면 전멸 제품의 특성 때문입니다.전자-양전자 반응으로 감마선 광자가 발생하지만, 이 광자들은 유도하기가 어렵고 추력에 사용하기가 어렵습니다.양성자와 반양성자 사이의 반응에서, 그들의 에너지는 주로 상대론적인 중성과 대전된 파이온으로 변환됩니다.중성 파이온은 거의 즉시(수명 85 atsecond) 고에너지 광자로 붕괴되지만, 대전된 파이온은 더 천천히(수명 26 나노초) 붕괴되고 자기적으로 편향되어 추력을 생성할 수 있습니다.

하전된 파이온은 궁극적으로 중성미자(하전된 파이온의 에너지의 약 22%를 전달함)와 불안정한 하전된 뮤온(하전된 파이온 에너지의 약 78%를 전달함)의 조합으로 붕괴되며, 뮤온은 전자, 양전자, 중성미자의 조합으로 붕괴됩니다(cf. 뮤온 붕괴; 이 붕괴로 인한 중성미자는 약 2/3를 전달함).뮤온의 에너지는 원래 전하를 띤 파이온에서 중성미자로 변환된 에너지의 총 분율이 약 0.22 + (2/3) ⋅0.78 = 0.74)가 된다는 것을 의미합니다.

무기

주요 기사:반물질무기

반물질은 핵무기의 유발 메커니즘으로 여겨져 왔습니다.[88]가장 큰 장애물은 반물질을 충분히 대량으로 생산하는 것의 어려움이며, 그것이 실현 가능할 것이라는 증거는 없습니다.[89]그럼에도 불구하고, 미 공군은 냉전 시대의 반물질 물리학 연구에 자금을 지원했고, 방아쇠가 아니라 폭발물 자체로서 무기에 사용될 수 있는 가능성을 고려하기 시작했습니다.[90]

참고 항목

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