미시간 대학 (University of Michigan) 의 연구자들이 테이블 위에 올려놓을 수 있는 크기 (Tabletop) 의 반물질 총 (antimatter gun) 을 개발했다고 합니다. 좀 더 구체적으로 말하면 아주 작은 크기의 장치로 양전자 (positron) 을 만들 수 있는 장치인데, 이제 가정에서도 손쉽게 반물질을 만들 수 있는 건 아니고 이전에는 거대한 실험 장치로 했던 일을 작은 장치로 가능하게 만들었다는데 의의가 있습니다.
(양전자 발생 장치의 개요 a. Top-view of the experimental setup. Plastic and Tefon shielding was inserted to reduce the noise due to low energy divergent particles and x-rays. b. Typical positron signal as recorded by the Image Plate. The region labelled with gamma noise is predominantly exposed by the gamma-rays escaping the solid target. c. Typical signal of the electron beam as recorded on the LANEX screen, without a solid target and d. extracted spectrum. Credit: arxiv.org/abs/1304.5379 )
G. Sarri 등의 연구자들이 Physical Review Letters 에 실은 논문에 의하면 이들의 장치는 레이저에 기반해서 양전자 (positron : 전자의 반입자로 양전하를 가진 물질) 를 쉽게 만들 수 있는 장치입니다. 양전자는 우주에서 블랙홀이나 펄서에서 방출하는 제트등에서 발견되며 지구에서는 입자 가속기나 혹은 양전자 단층 촬영 (PET) 같은 의료 장비에서 볼 수 있습니다. 다만 순수한 양전자를 생산하는 일은 매우 고가의 큰 장비가 필요한 작업이었습니다.
이들은 불과 30 펨토초 (Femtosecond 10^ -15 초) 동안 페타와트급의 레이저를 헬륨 가스에 발사한 후 여기서 나오는 고속의 전자를 금속 원자에 충돌 시켰습니다. 순간적으로 높은 에너지가 만들어지면서 전자와 양전자가 쌍으로 튀어나오게 되는데 이들은 15 cm 정도 되는 플라스틱 관에서 자기장에 의해 전자와 양전자로 나뉘게 되며 (그냥 두면 서로 충돌해서 감마선이됨. 전하가 반대이기 때문에 이런식으로 나눌 수 있음) 다시 타겟에 부딪히면 쌍소멸을 일으키면서 에너지를 방출해 그 존재를 증명합니다.
연구팀은 이런 방식으로 1회 레이저 빔 발사로 수경개 (Quadrillions) 의 양전자를 매우 경제적으로 생산할 수 있다고 합니다. 이전에 거대 입자 가속기로 가능했던 일이 이제는 작은 가정용 양전자 총으로도 가능해졌다는 이야기입니다.
다만 양전자 총이라고 해서 무기용으로 개발하기는 힘들 것으로 보입니다. 생산되는 양전자의 에너지는 사실 별로 큰편이 아니며 더 중요하게는 양전자를 공기중으로 발사하면 모두 충돌해 감마선이 될 것이므로 목표를 파괴할 수 없기 때문입니다. 오히려 진공 상태가 아니면 발사하는 위치가 가장 위험할 수 있습니다. 반물질은 쉽게 물질과 반응해 쌍소멸을 일으키기 때문이죠.
제목은 뭔가 SF 영화나 게임에서 등장할 법한 무기 처럼 생겼지만 실제로는 양전자 물리학 연구에 도움을 줄만한 새로운 실험장치라고 하겠습니다.
참고
Journal Reference
1. A table-top laser-based source of femtosecond, collimated, ultra-relativistic positron beams G. Sarri et al. Physical Review Letters. http://arxiv.org/abs/1304.5379
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