고에너지 광자 충돌로 빛에서 물질 생성 확인

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-08-23 20:04:06
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* 90년 전 아인슈타인 공식 E=mc2을 확인
* 1934년 그레고리 브라이트와 존 휠러는 빛에서 물질이 발생할 수 있다고 가정
* 빛의 충돌로 인한 물질-반물질 쌍의 직접적인 1단계 생성에 대한 분명한 증거

고에너지 광자 충돌, 빛에서 물질을 만든다.
입자 가속기 실험으로 거의 90년 된 이론 확인

가속기 속의 아인슈타인:

물리학자들이 입자 가속기에서 고에너지 광자의 충돌을 통해 순수한 빛에서 물질 입자를 만들었다. 이것은 거의 90년 전 아인슈타인의 유명한 공식 E=mc2가 지정되었을 때 예측된 대로 전자와 양전자 쌍을 생성했다. 최근 입증된 변환은 추가 단계 없이 두 개의 가벼운 입자가 충돌하여 물질이 직접 발생할 수 있다는 첫 번째 직접적인 증거다. 

▲ 두 광자의 충돌을 통한 전자-양전자 쌍의 생성 - 이러한 빛의 물질 전환은 이제 미국 물리학자들에 의해 입증될 수 있다. © Brookhaven National Laboratory

아인슈타인의 유명한 공식 E=mc2는 놀라운 발견을 설명한다.
물질과 에너지는 동등하며 서로 변환할 수 있다. 한 방향에서 우리는 매일 하늘에서 이러한 변화를 볼 수 있다. 태양에서 원자핵은 서로 융합하고 이 물질은 복사의 형태로 에너지를 방출한다. 원자 폭탄이 폭발하면 물질도 에너지로 변환된다.

이론상으로 충돌하는 빛 입자는 물질 입자를 생성

그러나 반대의 경우는 어떠할까?
일찍이 1934년에 두 물리학자 그레고리 브라이트(Gregory Breit)와 존 휠러(John Wheeler)는 빛에서 물질이 발생할 수 있다고 가정했다. 그들의 이론에서, 두 개의 매우 높은 에너지 광자의 충돌이 전자와 양전자를 생성하고 따라서 물질 입자를 생성하기에 충분하다는 것을 증명했다.

문제:
"Breit와 Wheeler는 이것이 실제로 구현하는 것이 거의 불가능하다는 것을 이미 알고 있었다"고 브룩헤이븐(Brookhaven) 국립 연구소의 장부 수(Zhangbu Xu)는 설명했다. 이러한 직접 변환을 수행하려면 고농축 강철에서 고에너지 감마선 광자를 방출하는 레이저가 필요하다. 그러나 그러한 레이저는 오늘날까지 존재하지 않는다.

몇 년 전 물리학자들은 일반 레이저도 일종의 양자 물리 연쇄 반응을 통해 물질 입자를 생성할 수 있는 방법을 제안했다. 아직 실험적으로 구현되지는 않았다.
▲ 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 STAR 검출기의 핵심 © 브룩헤이븐 국립연구소

입자 가속기의 광자 구름

그러나 빛으로부터 물질을 생성하는 또 다른 방법이 있다.
Breit와 Wheeler는 다음과 같이 가정했다. 광자 빔 대신 가속된 중이온이 광원으로 사용된다. 이것은 강하게 양전하를 띤 원자핵이 높은 가속도에서 주위에 강한 전자기장을 생성하기 때문에 가능하다. 특정 조건에서 물리적 특성은 광자의 물리적 특성과 유사하다.

금 핵이나 다른 이온은 입자 가속기를 통과할 때 일종의 가벼운 입자 구름으로 둘러싸여 있다. 그러한 두 개의 원자핵이 가속기에서 서로를 향해 경주하고 서로를 놓치면 광자 구름 사이에 상호 작용이 있다. 이론에 따르면 강하게 가속되고 극도로 높은 에너지의 빛 입자 중 일부가 충돌하고 전자와 양전자 쌍이 생성된다. 

▲ 두 개의 고도로 가속된 금 핵의 근접 통과 중 광자 충돌.

© Brookhaven National Laboratory



STAR 협업의 Xu와 그의 동료들은 최근 이것이 Brookhaven의 상대론적 중이온 충돌기(RHIC)에서 STAR 검출기를 사용해 실제로 작동하는지 테스트했다.

증거로서의 전자-양전자 쌍

실험을 위해 그들은 금 핵을 빛의 속도의 99.99%까지 가속시키고 입자 빔을 충돌시켰다.
방출된 붕괴 생성물에서 그들은 궤적, 에너지, 질량 분포 및 양자 상태가 이러한 조건에서 Breit-Wheeler 효과에 대해 예측된 것과 일치하는 전자 및 양전자 쌍을 찾았다.

물리학자들은 적절한 특성을 가진 총 6,085개의 전자-양전자 쌍을 발견했다.
이러한 물질 입자는 광자 충돌로 인한 물질 형성에 대해 물리학이 예측하는 것과 정확히 일치한다. 추가 테스트에서 물리학자들은 원자핵 부근에서 생성된 광자가 정상적인 빛 입자의 특성과 일치하는지 확인했다.
▲ STAR Detector © Brookhaven National Laboratory

입증된 브라이트 휠러 효과?

브룩헤이븐 연구소(Brookhaven Laboratory)의 다니엘 브란덴버그(Daniel Brandenburg)는 "브라이트와 휠러가 기술한 것처럼, 우리의 결과는 빛의 충돌로 인한 물질-반물질 쌍의 직접적인 1단계 생성에 대한 분명한 증거를 제공한다”고 말했다. 이것이 확인된다면 빛이 물질로 직접 전환되는 것은 처음으로 실험적으로 증명될 ​​수 있게 될 것이다.
(Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103 / PhysRevLett.127.052302)
출처: Brookhaven 국립 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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