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- 많은 양의 에너지를 사용하면 무에서 물질이 발생할 수 있다.
- 진공 상태에서 강한 전기장으로부터 물질이 형성되는 데 걸리는 시간을 처음으로 결정
- 전자와 양전자가 진공 공간에서 나오는 데 약 1~2젭토초(1조분의 1초)가 걸린다

무에서 물질형성
E=mc^2: 물리학자들은 진공 상태에서 입자가 형성되는 시간을 결정했다.

아인슈타인의 공식을 위한 스톱워치:
많은 양의 에너지를 공급하면 진공 상태에서도 새로운 물질이 입자 형태로 발생할 수 있다. 이것이 바로 아인슈타인의 유명한 공식 E=mc^2이다. 예를 들어 전자-양전자 쌍이 진공에서 생성되는데 얼마나 걸릴까? 물리학자들은 이제 이것을 계산했다. 결과: 이 입자 쌍은 순간적으로 발생하지 않지만, 매우 매우 빠르게 이루어진다. 1~2조분의 1초도 채 걸리지 않는다. 

▲ 그에 상응하는 높은 에너지로 진공에서 실제 입자가 발생할 수 있다. 유럽 ​​XFEL에 있는 HIBEF(Helmholtz International Beamline for Extreme Fields)라는 이 시설에서 "무"로부터 물질을 생성하는 것이 곧 가능해질 것이다. © HZDR/ Science Communication Lab

1905년에 알버트 아인슈타인은 아마도 그의 가장 유명한 공식인 E=mc^2를 내놓았다. 그것은 질량과 에너지가 등가이며 서로 변환될 수 있다고 말했다. 이것은 실제로 폭발, 핵융합에 의해 생성된 햇빛 또는 물질 입자와 반물질 대응물이 에너지를 방출하면서 서로를 소멸시키는 실험에서 경험할 수 있다. 이 모든 경우에 물질은 적어도 부분적으로는 에너지로 변환된다.

진공에서 나오는 전자와 양전자

그 반대도 가능하다. 그에 상응하는 많은 양의 에너지를 사용하면 무에서 물질이 발생할 수 있다. 이에 대한 예는 진공에서 입자 쌍이 형성되는 것이다. 양자 요동으로 인해 진공은 결코 실제로 비어 있지 않고 오히려 수많은 가상 입자 쌍으로 채워진다. 이들은 나타나는 즉시 사라지고 질량이 없으므로 정상적인 상황에서는 결코 실제 입자가 되지 않는다.

그러나 이것은 강한 전기장의 형태로 충분한 에너지를 공급하면 달라진다. 전기장이 강할수록 수명이 짧은 쌍둥이 쌍이 더 많이 발달한다. 예를 들어 실제 전자와 양전자의 질량에 해당하는 특정 임계값에 도달하면 이러한 입자는 현실로 "도약"한다. 실제 입자가 되어 물질이 된다.

그러나 이것은 미터당 약 1,000조 볼트에 달하는 막대한 전압을 필요로 하는데, 이는 지금까지 번개나 실험실에서 생성할 수 없었던 값이다. 그럼에도 불구하고 물리학자들은 복잡한 모델과 계산을 통해 이러한 극한 조건에 이론적으로 접근함으로써 무에서 물질이 형성되는 것을 조사할 수 있다.

입자 형성에는 시간은 얼마나 걸릴까?

이것이 바로 그라츠 대학교의 마티아스 디츠(Matthias Diez)와 그의 동료들이 지금 달성한 것이다. 그들은 진공 상태에서 강한 전기장으로부터 물질이 형성되는 데 걸리는 시간을 처음으로 결정했다. 그들이 설명하는 것처럼 이것은 터널링 프로세스로 설명될 수 있기 때문이다. 강한 전기장은 잠재적인 풍경에 깊은 계곡과 높은 산을 만든다. 에너지가 충분히 높으면 가상 입자 쌍이 산을 "통과"하여 궁극적으로 실제 전자와 양전자가 될 수 있다.

Helmholtz Center Dresden-Rossendorf의 수석 저자인 Christian Kohlfürst는 "우리의 연구를 통해 이 터널에서 전자와 양전자의 체류 시간을 정량화했다"며 "이 과정은 순간적이지 않기 때문이다"고 설명했다. 물리학자들은 양자역학 및 반고전적 모델을 기반으로 이 "터널 풍경"에서 가상 입자와 함께 진공에서 일어나는 일을 분석했다.

진공 상태의 두 피크

가상 입자에서 실제 입자로 전환하는 동안 진공 상태에서 입자 밀도에 두 개의 연속 피크가 있음이 밝혀졌다. 첫 번째는 입력 에너지의 정점에서 발생한다. 물리학자들은 "이 피크는 하전 입자에서 예상되는 것처럼 전기장에 의해 가속되지 않는다"고 보고했다. 이에 따르면 이 시점에서 감지된 입자는 아직 실제 전자 및 양전자가 아니며 필드에 반응해야 한다.

▲ 에너지와 질량은 동등하므로 진공 상태의 가상 입자 쌍은 충분히 강한 전기장에서 실제 입자가 될 수 있다. © HG: sakkmesterle/ 게티 이미지

그러나 얼마 지나지 않아 입자 밀도에 두 번째 피크가 나타났다. 발생하는 입자 쌍은 여전히 ​​불안정하고 수명이 짧다. 그들의 파동 특성은 그들이 이미 전자기장의 로렌츠 힘에 반응하기 시작했음을 보여준다. 반대 전하로 인해 필드는 이러한 전전자와 전양전자를 반대 방향으로 편향시킨다. "우리는 실제가 될 예정인 사전 입자를 식별하는 방법을 찾았다"고 Diez와 그의 동료들은 설명했다.

젭토초 안에 무에서 물질로

이 방법의 도움으로 물리학자들은 실제 입자가 형성되기 전에 경과되는 시간을 결정하는 데 처음으로 성공했다. 결과: 실제로 전자와 양전자가 진공 공간에서 나오는 데 약 1~2젭토초(1조분의 1초)가 걸린다. 이 짧은 시간은 거의 측정할 수 없지만 두 개의 피크 프로세스가 확인되면 진공 상태에서 물질이 자발적으로 형성되는 것을 실험에서 보여줄 수 있는 가능성이 열릴 수 있다.

Kohlfürst는 "우리 작업은 기본 연구이며 양자 수준에서 하전 입자와 전자기 사이의 상호 작용을 설명하는 양자 전기 역학을 기반으로 한다"고 말했다. 그러나 그 결과는 고체 상태, 천체물리학 또는 플라스마 물리학에서 이론적이고 실제적으로 중요할 수도 있다. "지금까지 가장 강력한 레이저조차도 필요한 전기장을 생성할 만큼 충분히 강하지 않았다"고 물리학자는 말했다. 강력한 레이저와 전자 또는 이온빔의 영리한 조합은 그것을 바꿀 수 있고 미래에 그러한 실험을 가능하게 할 수 있다.
(Physics Letters B, 2023; doi:10.1016/j.physletb.2023.138063)
출처: Helmholtz Center Dresden-Rossendorf

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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