반물질은 보통 물질과 전하가 반대이지만 질량과 다른 성질은 동일한 입자로 이루어진 물질입니다. 1928년 디랙이 이론적으로 예측하고 1932년 앤더슨이 양전자를 발견하면서 실재가 확인되었으며, 물질과 반물질이 만나면 완전히 소멸하여 순수한 에너지로 변환되는 특성 때문에 우주가 왜 물질로만 가득 차 있는지가 현대 물리학의 가장 깊은 미스터리입니다.
반물질의 존재, 디랙 방정식이 예견한 대칭적 우주
1928년 폴 디랙은 전자를 기술하는 상대론적 양자역학 방정식을 유도했습니다. 슈뢰딩거 방정식은 비상대론적이어서 빠른 입자를 제대로 설명하지 못했습니다. 디랙은 특수상대성이론과 양자역학을 결합한 방정식을 만들었고, 이 방정식은 전자의 스핀과 자기 모멘트를 자연스럽게 예측했습니다. 하지만 이상한 점이 있었습니다. 방정식의 해가 양의 에너지뿐 아니라 음의 에너지 상태도 포함했습니다. 처음에는 이것을 수학적 인공물로 생각했지만 무시할 수 없었습니다. 음의 에너지 상태가 존재하면 모든 전자가 그곳으로 떨어져야 하는데 그렇지 않았습니다. 디랙은 대담한 해석을 제시했습니다. 음의 에너지 상태는 모두 전자로 채워져 있어서 파울리 배타 원리로 더 이상 들어갈 수 없다는 것입니다. 이것을 디랙 바다라고 합니다. 만약 이 바다에서 전자 하나가 빠져나오면 빈 자리가 생기는데, 이것은 양전하를 띤 입자처럼 보일 것입니다. 디랙은 이것이 양성자일 거라고 생각했지만 질량이 전자와 같아야 한다는 모순이 있었습니다. 1932년 칼 앤더슨은 우주선을 연구하다가 전자와 질량은 같지만 전하가 반대인 입자를 발견했습니다. 양전자였습니다. 디랙의 예측이 맞았고 반물질의 존재가 실험적으로 확인된 순간이었습니다. 디랙은 1933년 노벨상을 받았습니다.
반입자의 발견과 생성 그리고 소멸
양전자에서 반양성자까지
양전자 발견 후 다른 반입자들도 찾기 시작했습니다. 1955년 버클리의 베바트론 입자가속기에서 반양성자가 발견되었습니다. 양성자를 구리 표적에 충돌시켜 충분한 에너지를 만들었습니다. 반양성자는 양성자와 질량이 같지만 전하가 음입니다. 1956년에는 반중성자가 발견되었습니다. 중성자는 전하가 0이지만 반중성자와는 다릅니다. 쿼크 구성이 반대입니다. 중성자는 업-다운-다운 쿼크로 이루어져 있고 반중성자는 반업-반다운-반다운 반쿼크로 이루어져 있습니다. 1995년 CERN에서 최초로 반수소 원자를 만들었습니다. 반양성자와 양전자를 결합시켜 9개의 반수소를 생성했지만 수명이 극히 짧았습니다. 2010년 ALPHA 실험은 반수소를 자기 트랩에 가두어 16분 이상 보관하는 데 성공했습니다. 이것은 반물질 연구의 획기적 진전이었습니다. 반물질은 자연적으로도 생성됩니다. 고에너지 우주선이 대기와 충돌하면 양전자가 만들어집니다. 특정 방사성 동위원소는 베타 플러스 붕괴로 양전자를 방출합니다. 의료용 PET 스캔이 이 원리를 이용합니다. 탄소-11, 질소-13, 산소-15 같은 동위원소가 양전자를 내고 체내 전자와 소멸하며 감마선을 냅니다. 이 감마선을 검출하여 3차원 영상을 만듭니다.
완벽한 소멸과 에너지 변환
물질과 반물질이 만나면 완전히 소멸하여 에너지로 변환됩니다. 이것은 E=mc²의 가장 극적인 구현입니다. 전자와 양전자가 충돌하면 둘 다 사라지고 보통 두 개의 감마선 광자가 생성됩니다. 에너지와 운동량 보존을 만족하려면 최소 두 개의 광자가 필요합니다. 각 광자의 에너지는 511keV로 전자의 정지 질량 에너지와 같습니다. 양성자와 반양성자가 소멸하면 훨씬 큰 에너지가 방출됩니다. 주로 파이온 같은 중간자로 변환되고 이들은 빠르게 붕괴하여 최종적으로 광자, 전자, 중성미자가 됩니다. 반물질은 가장 효율적인 에너지 저장 방식입니다. 핵융합도 질량의 0.7퍼센트만 에너지로 변환하지만 물질-반물질 소멸은 100퍼센트가 에너지가 됩니다. 1그램의 반물질이 물질과 소멸하면 히로시마 원폭의 두 배 에너지가 나옵니다. 이론상 완벽한 로켓 추진제입니다. 하지만 문제는 반물질을 만들고 저장하는 것이 극히 어렵다는 점입니다. 현재 기술로 1그램의 양전자를 만드는 데 수십억 년이 걸립니다. 비용도 1그램당 수천조 달러입니다. 반물질은 보통 물질과 닿는 순간 소멸하므로 진공 속에서 전자기장이나 자기장으로 가둬야 합니다.
CPT 대칭성과 반물질 연구
물리 법칙은 CPT 대칭성을 만족한다고 믿어집니다. C는 전하 켤레, P는 공간 반전, T는 시간 반전입니다. 이 세 변환을 동시에 적용하면 물리 법칙이 불변이라는 것입니다. 즉 반물질로 이루어진 거울 우주가 시간이 거꾸로 흐른다면 우리 우주와 똑같은 물리 법칙을 따릅니다. 만약 CPT 대칭성이 깨진다면 기존 물리학의 근본을 뒤흔들 것입니다. 반물질 연구는 이것을 정밀하게 검증합니다. 반수소의 스펙트럼이 수소와 정확히 같은지 측정합니다. 지금까지 10억분의 1 수준에서 차이가 발견되지 않았습니다. 반물질이 중력에 어떻게 반응하는지도 중요합니다. 반물질도 물질처럼 아래로 떨어질까요 아니면 반중력으로 위로 올라갈까요? 일반상대성이론은 반물질도 정상적으로 끌린다고 예측하지만 실험적 확인은 최근에야 이루어졌습니다. 2023년 ALPHA-g 실험은 반수소가 보통 물질처럼 중력으로 떨어진다는 것을 확인했습니다. 반물질의 자기 모멘트, 전하 대 질량 비, 수명 등 모든 측정이 물질과 정확히 일치합니다.
우주는 왜 물질만 남았는가
빅뱅 이론에 따르면 초기 우주는 극도로 뜨거워서 물질과 반물질이 동등하게 생성되고 소멸했습니다. 에너지가 질량으로 변환되어 쿼크-반쿼크 쌍, 전자-양전자 쌍이 계속 만들어졌습니다. 우주가 팽창하며 식으면 에너지가 충분하지 않아 더 이상 입자 쌍을 만들 수 없게 됩니다. 이때 모든 물질과 반물질이 소멸하여 광자만 남아야 합니다. 하지만 실제 우주는 물질로 가득 차 있습니다. 별, 행성, 은하가 존재합니다. 이것은 초기 우주에서 물질이 반물질보다 약간 많았다는 의미입니다. 약 10억 개의 반입자마다 10억 1개의 입자가 있었습니다. 10억 쌍이 소멸하고 1개의 입자가 남았습니다. 이 작은 차이가 현재 우주의 모든 물질입니다. 왜 이런 비대칭이 생겼을까요? 1967년 사하로프는 세 가지 조건을 제시했습니다. 첫째, 중입자 수 보존이 깨져야 합니다. 둘째, C와 CP 대칭성이 깨져야 합니다. 셋째, 열평형을 벗어나야 합니다. 1964년 CP 대칭성 깨짐이 중성 K 중간자에서 발견되었습니다. 물질과 반물질이 약간 다르게 행동한다는 증거였습니다. 하지만 표준모형의 CP 깨짐만으로는 관측되는 비대칭을 설명하기에 너무 작습니다. 추가적인 새로운 물리학이 필요합니다. 렙토제네시스, 전기약 바리오제네시스 같은 이론들이 제안되지만 아직 확인되지 않았습니다. 반물질 연구는 우주의 기원, 대칭성의 본질, 새로운 물리 법칙 발견의 열쇠입니다. 반물질 우주선 검출기 AMS-02는 우주에 반물질 은하나 별이 있는지 찾고 있습니다. 지금까지 발견되지 않았습니다. 우주는 철저하게 물질 우주인 것 같습니다. 이 근본적인 비대칭이 왜 생겼는지 밝히는 것은 물리학의 가장 깊은 도전입니다.