전자와 양자로 만들어진 새로운 분자

반물질(antimatter)을 실리카 스펀지(silica sponge) 속으로 침투시킴으로서 물리학자들은 처음으로 물질-반물질 분자를 만들었다. 더 상세하게 말하면 이 기술은 액체나 고체 상태에서 반물질을 간단하게 농축하거나 최초 감마선 레이저(gamma-ray laser)를 만드는데 사용될 것이다.

약 10년 전에, 과학자들은 반양성자(antihydrogen)와 양전자(antiproton)를 결합함으로서 양성자와 전자의 등가의 반물질인 반수소(antihydrogen) 원자를 만들었다. 그 자체로, 반수소는 물질과 접촉하자마자 감마선을 즉시 없애도록 하는 반물질 성향 때문에 물질 세계에서는 저장하기가 어렵지만 수소만큼 안정적이다. 최근 들어서는 CERN의 연구진이 냉각 분위기의 트랩에서 반양성자와 양전자를 결합시킴으로써 반수소(antiH)원자를 만들려고 시도했었다.(GTB2001050890) 그러나 50년 이상동안 물리학자들은 1개의 전자와 1개의 양전자로 이루어진 원자핵이 없는 원자(nucleus-free atoms)를 만들 수 있었다. 이것은 반대 전하에 이끌려, 쌍성 시스템(binary system)의 별 같이 전자와 양전자는 서로 궤도를 그리며 돌게 될 것이다.

그러나 반수소와는 달리 포지트로늄(positronium)이라고 부르는 특별한 물질-반물질 수소(matter-antimatter hybrid)는 불안정하다. 상호 붕괴를 향해서 2개의 입자가 나선형으로 간단한 죽음의 댄스를 즐긴다. 물리학자는 원자가 분자 속으로 한 쌍을 이룰 수 있을 것이라고 추측했었던 포지트로늄이 수백 나노초 동안 충분히 오래 존재할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 포지트로늄으로 만들기 위해서는 단단한 쿼터(quarter) 속에서 전자와 양전자를 조합하는 것이 요구되고 그들이 혼합될 만큼 충분히 느리게 하는 것이 필요하였다.

캘리포니아 대학교(University of California)의 데이비드 캐시디(David Cassidy)와 알렌 밀즈(Allen Mills)는 이 실험을 이행하기 위해서 전자기적 영역에서 방사선원(radioactive source)을 생산하기 위해서 수백만의 양전자를 추출하기 시작했다. 간단하게 전기적 펄스를 적용함으로서 이 연구진은 아주 얇은 다공성 실리카 막(silica membrane)으로 그들을 향하게 하면서 양전자를 방출했다. 이 기공 속에 양전자의 일부가 포지트로늄을 형성하기 위하여 실리카로 전자들을 끌어 모았다. 연구진은 이 원자의 일부가 기공 속 주변으로 튀곤 해서 미약한 정전기 힘이 그들을 감속시켜서 그들이 분자로서 서로 묶이는 기공의 안쪽 표면에 임시적으로 고정되기를 바랬다.

원자나 분자에서 자유롭거나 묶여 있는 모든 양전자들은 결국 감마선을 생성하면서 소멸하게 된다. 그러나 캐시디와 밀은 분자 포지트로늄의 소멸로 인해 발생되리라고 기대했던 감마선 신호를 자동표시기로 검출했다. 포지트로늄을 찾으려면 파괴될 때 형성되는 감마-양자 쌍의 분사각(emission angle)을 분석해야 한다. 만약 양전자-전자 쌍이 안정되어 있으면 감마-양자는 사방으로 흩어져 그들 사이의 각도는 180도가 된다. 반대의 경우는 각도가 작다.(GTB2005080015) 확인을 위해 연구진은 분자의 형성을 방해하는 상태를 만들어서 막을 가열했으며 거의 확실하게 이 신호는 사라졌다고 네이처지 9월 13일 논문에서 발표했다. 밀은 이 데이터가 포지트로늄 분자의 존재를 뒷받침한다고 말했다. 캘리포니아 대학교의 클리포드 서코(Clifford M. Surko)는 포지트로늄의 형성에 대한 증명은 확실하고 어떤 잠재적인 허점도 없다고 말했다.

이 성과는 단지 시작이라고 밀은 말했다. 이 연구진은 스펀지 속에 더 많은 양전자를 응축할 수 있다면 물질의 더 복잡한 상태를 알 수 있을 것이라고 말했다. 보즈-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein condensate)에서 원자를 양자 상태로 분리하는 신종 가스는 최초 감마선 레이저를 생성하기 위해서 양전자가 동시에 소멸하도록 할 수 있었다고 캐시디는 말했다. 심지어 더 높은 밀도는 최초의 고체의 물질-반물질 상태를 이끌어 낼 수 있다고 캐시디는 말했다.

참조: Cassidy, D.B., and A.P. Mills Jr. 2007. The production of molecular positronium. Nature 449(Sept. 13):195-197. Abstract available at http://dx.doi.org/10.1038/nature06094.

Saniz, R., et al. 2007. Physisorption of positronium on quartz surfaces. Physical Review Letters 99(Aug. 31):096101. Abstract available at http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.096101.

Surko, C.M. 2007. Atomic physics: A whiff of antimatter soup. Nature 449(Sept. 13):153-155.


정보제공 : 한국과학기술정보연구원(KISTI) 해외과학기술동향
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