양전자

양전자(陽電子, ) 또는 반전자(反電子, )는 +1e의 전하, 1/2 ħ의 스핀(전자와 동일), 그리고 전자와 같은 질량을 가진 입자이다. 양전자는 전자의 반입자(반물질 대응물)이다. 양전자가 전자와 충돌하면 쌍소멸이 일어난다. 이 충돌이 낮은 에너지에서 발생하면 두 개 이상의 광자가 생성된다.

양전자는 (약한 상호작용을 통한) 양전자 방출 방사성 붕괴에 의해 생성되거나, 물질 내의 원자와 상호작용하는 충분히 에너지가 큰 광자에 의한 쌍생성을 통해 생성될 수 있다.

 역사 
 이론 
1928년, 폴 디랙은 전자가 양전하와 음전하를 모두 가질 수 있다는 논문을 발표했다. 이 논문은 양자역학, 특수 상대성이론, 그리고 당시 새로운 개념이었던 전자의 스핀을 결합하여 제이만 효과를 설명하는 디랙 방정식을 소개했다. 이 논문은 명시적으로 새로운 입자를 예측하지는 않았지만, 해로서 전자가 양의 에너지 또는 음의 에너지를 가질 수 있도록 허용했다. 그 후 헤르만 바일은 음의 에너지 해의 수학적 함의를 논의하는 논문을 발표했다. 양의 에너지 해는 실험 결과를 설명했지만, 디랙은 수학적 모델이 허용하는 똑같이 유효한 음의 에너지 해 때문에 당혹스러워했다. 양자역학은 고전역학에서 그러한 방정식을 다룰 때 흔히 하듯이 음의 에너지 해를 단순히 무시하는 것을 허용하지 않았다. 이 이중 해는 전자가 양의 에너지 상태와 음의 에너지 상태 사이를 자발적으로 도약할 가능성을 시사했다. 그러나 당시까지 그러한 전이는 실험적으로 관찰되지 않았다.

디랙은 1929년 12월에 후속 논문을 작성하여 상대론적 전자의 불가피한 음의 에너지 해를 설명하고자 했다. 그는 "...음의 에너지를 가진 전자는 마치 양전하를 띠는 것처럼 외부 [전자기]장 안에서 움직인다"고 주장했다. 그는 더 나아가 모든 공간이 가득 찬 "음의 에너지 상태의 바다"로 간주될 수 있으며, 이것이 전자가 양의 에너지 상태(음전하)와 음의 에너지 상태(양전하) 사이를 도약하는 것을 방지한다고 단언했다. 또한 이 논문은 양성자가 이 바다 속의 섬일 가능성을 탐구했으며, 그것이 실제로 음의 에너지 전자일 수도 있다고 보았다. 디랙은 양성자가 전자보다 훨씬 큰 질량을 갖는 것이 문제라는 점을 인정했지만, 미래의 이론이 이 문제를 해결할 것이라는 "희망"을 표명했다.

J. 로버트 오펜하이머는 양성자가 디랙 방정식의 음의 에너지 전자 해라는 주장에 강력히 반대했다. 그는 만약 그렇다면 수소 원자가 빠르게 자기 파괴될 것이라고 주장했다. 바일은 1931년에 음의 에너지 전자가 양의 에너지 전자와 동일한 질량을 가져야 함을 보여주었다. 오펜하이머와 바일의 논리에 설득된 디랙은 1931년 논문을 발표하여, 전자와 질량은 같고 전하가 반대이며 전자와 접촉하면 서로 소멸하는, 아직 관찰되지 않은 입자인 "반전자"의 존재를 예측했다.

에른스트 슈튀켈베르크와 이후 리처드 파인만은 디랙 방정식의 음의 에너지 해를 재해석하여 양전자를 시간 속에서 거꾸로 이동하는 전자로 해석할 것을 제안했다. 시간 속에서 거꾸로 이동하는 전자는 양의 전하를 가질 것이다. 존 아치볼드 휠러는 모든 전자가 공유하는 동일한 특성을 설명하기 위해 이 개념을 원용하여, 복잡하고 스스로 교차하는 세계선을 가진 "그들이 모두 같은 전자"일 수 있음을 시사했다. 난부 요이치로는 나중에 이를 모든 입자-반입자 쌍의 생성과 소멸에 적용하여, "때때로 발생할 수 있는 쌍의 최종적인 생성과 소멸은 생성이나 소멸이 아니라, 과거에서 미래로, 또는 미래에서 과거로 이동하는 입자의 방향 전환일 뿐이다"라고 기술했다. 시간을 거꾸로 거스른다는 관점은 오늘날 다른 묘사들과 완전히 동등한 것으로 받아들여지지만, 미시적인 물리적 묘사에는 나타나지 않는 거시적 용어인 "원인" 및 "결과"와는 아무런 관련이 없다.

 실험적 단서와 발견 
섬네일|윌슨 안개 상자는 초기 입자물리학에서 매우 중요한 입자 검출기였다. 양전자, 뮤온, 케이 중간자를 발견하는 데 사용되었다.

1923년부터 콤프턴 효과를 연구하기 위해 윌슨 안개 상자를 사용하던 중, 드미트리 스코벨친은 전자처럼 행동하지만 인가된 자기장에서 반대 방향으로 휘어지는 궤적을 관찰했다. 스코벨친은 1928년 7월 23~27일 케임브리지 대학교에서 열린 회의에서 이 현상이 담긴 사진을 발표했다.
이렌 졸리오퀴리와 프레데리크 졸리오퀴리 부부 등 다른 이들도 유사한 사진 증거를 보았으나, 당시에는 아무도 이러한 변칙적인 궤적을 설명하지 못했다. 스코벨친은 두 가지 중요한 공헌을 통해 양전자 발견의 길을 열었다. 하나는 1925년 안개 상자에 자기장을 도입한 것이고, 다른 하나는 전하를 띤 입자인 우주선을 발견한 것인데, 이는 칼 데이비드 앤더슨의 노벨상 강연에서도 언급되었다.

마찬가지로 1929년 칼텍의 중국인 대학원생이었던 조충요(Chung-Yao Chao)는 전자처럼 행동하지만 양전하를 띤 입자를 나타내는 몇 가지 변칙적인 결과들을 발견했으나, 결과가 결정적이지 못했고 더 이상의 연구가 진행되지 않았다. 50년 후 앤더슨은 자신의 발견이 칼텍 동급생이었던 조충요의 연구에서 영감을 받았음을 인정했다. 앤더슨은 동일한 방사성원을 사용했지만 자기장 안개 상자를 채택하여 반전자의 궤적을 볼 수 있게 했다.

앤더슨은 1932년 8월 2일에 양전자를 발견했으며, 이 공로로 1936년 노벨 물리학상을 수상했다. 앤더슨이 직접 '양전자(positron)'라는 용어를 만든 것은 아니었으나, 1932년 말 발견 논문을 제출했던 피지컬 리뷰 학술지 편집자의 제안에 따라 그 명칭을 수용했다. 양전자는 반물질의 첫 번째 증거였으며, 앤더슨이 우주선이 안개 상자와 납판을 통과하게 함으로써 발견되었다. 자석이 이 장치를 둘러싸고 있어 입자들이 전하에 따라 서로 다른 방향으로 휘어지게 했다. 각 양전자가 남긴 이온 궤적은 전자의 비전하와 일치하는 곡률로 사진판에 나타났으나, 전하가 양수임을 보여주는 방향으로 휘어 있었다.

앤더슨은 나중에 회고하기를, 조충요의 연구를 추적 조사했더라면 양전자가 더 일찍 발견될 수 있었을 것이라고 썼다. 파리의 프레데리크 졸리오퀴리와 이렌 졸리오퀴리는 앤더슨의 결과가 나왔을 때 옛 사진에서 양전자의 증거를 가지고 있었지만, 그것들을 양성자로 치부했었다.

양전자는 1932년 캐번디시 연구소의 패트릭 블래킷과 주세페 오키알리니에 의해서도 동시기에 발견되었다. 블래킷과 오키알리니는 더 확실한 증거를 얻기 위해 발표를 늦추었고, 그 결과 앤더슨이 먼저 발견을 발표할 수 있었다.

 자연적 생성 

양전자는 천연 방사성 동위원소(예: 칼륨-40)의 β+ 붕괴 및 (방사성 핵에서 방출된) 감마 양자와 물질의 상호작용에서 중성미자와 함께 자연적으로 생성된다. 반중성미자는 자연 방사능(β− 붕괴)에 의해 생성되는 또 다른 종류의 반입자이다. 다양한 종류의 반입자들이 우주선에 의해 생성되거나 그 안에 포함되어 있기도 한다. 미국 천문학회가 2011년에 발표한 연구에 따르면, 뇌우 구름 위쪽에서 양전자가 생성되는 것이 발견되었다. 양전자는 구름 속의 강한 전기장에 의해 가속된 전자가 생성한 감마선 섬광에서 만들어진다. PAMELA 모듈에 의해 지구 주변의 밴 앨런대에서도 반양성자가 존재하는 것이 밝혀졌다.

질량이 낮아 가장 흔한 반입자인 반중성미자와 양전자는 온도가 충분히 높은(평균 입자 에너지가 쌍생성 임계값보다 큰) 모든 환경에서 생성된다. 우주가 극도로 뜨겁고 밀도가 높았던 중입자 생성 기간 동안 물질과 반물질은 지속적으로 생성되고 소멸되었다. 남아있는 물질의 존재와 감지 가능한 반물질의 부재는 중입자 비대칭이라고도 불리며, 물질과 반물질을 연관 짓는 CP 대칭의 위반인 CP 위반에 기인한다. 중입자 생성 중 이 위반의 정확한 메커니즘은 여전히 수수께끼로 남아 있다.

방사성 붕괴로부터의 양전자 생성은 라디오아이소토프의 생성이 자연적일 수도 인공적일 수도 있으므로 인공적 생성과 자연적 생성 모두로 간주될 수 있다. 양전자를 생성하는 가장 잘 알려진 천연 라디오아이소토프는 아마도 칼륨의 원시 핵종인 칼륨-40일 것이다. 비록 칼륨의 극히 일부(0.0117%)에 불과하지만, 인체에서 가장 풍부한 단일 라디오아이소토프이다. 질량이 인 인체에서는 초당 약 4,400개의 40K 핵이 붕괴한다. 천연 칼륨의 방사능은 31 Bq/g이다. 이러한 40K 붕괴 중 약 0.001%가 인체에서 하루에 약 4,000개의 자연 양전자를 생성한다. 이 양전자들은 곧 전자를 찾아 쌍소멸을 거치며, 양전자 방출 단층촬영(PET) 핵의학 절차에서 일어나는 것과 유사한(그러나 훨씬 낮은 강도의) 과정으로 한 쌍의 511 keV 광자를 생성한다.

최근의 관측에 따르면 블랙홀과 중성자별은 천체물리학적 제트에서 방대한 양의 양전자-전자 플라스마를 생성한다. 거대한 양전자-전자 플라스마 구름 또한 중성자별과 연관되어 발견되었다.

 우주선에서의 관측 

위성 실험을 통해 1차 우주선에서 양전자(및 소량의 반양성자)의 증거가 발견되었으며, 이는 1차 우주선 입자의 1% 미만을 차지한다. 그러나 우주선 내 양전자의 비율은 최근 더 향상된 정확도로, 특히 훨씬 높은 에너지 수준에서 측정되었으며, 이러한 고에너지 우주선에서 양전자의 비율이 더 높게 나타나는 것이 관찰되었다.

이들은 빅뱅 당시의 막대한 양의 반물질이나 우주에 존재하는 복잡한 반물질의 산물로 보이지는 않는다(이에 대한 증거는 부족하다. 아래 참조). 오히려 우주선 속의 반물질은 이 두 가지 기본 입자로만 구성된 것으로 보인다. 최근의 이론들은 이러한 양전자의 기원이 암흑물질 입자의 소멸, 천체 물리학적 물체 내에서의 양전자의 고에너지 가속, 그리고 우주선 핵과 성간 가스의 상호작용에 의한 고에너지 양전자의 생성에서 올 수 있다고 제안한다.

국제우주정거장에 탑재되어 현재 가동 중인 알파 자기 분광기(AMS-02)의 예비 결과에 따르면, 우주선 속의 양전자는 방향성 없이 도달하며 그 에너지는 0.5 GeV에서 500 GeV에 이른다. 양전자 비율은 약 275 ± 32 GeV 에너지 주변에서 전체 전자+양전자 이벤트의 약 16%로 정점을 찍는다. 500 GeV까지의 더 높은 에너지에서는 전자 대비 양전자의 비율이 다시 떨어지기 시작한다. 양전자의 절대 선속 또한 500 GeV 이전에 떨어지기 시작하지만, 약 10 GeV에서 정점을 찍는 전자의 에너지보다 훨씬 높은 에너지에서 정점을 찍는다. 이러한 해석에 관한 결과들은 거대한 암흑물질 입자의 소멸 이벤트에서 발생하는 양전자 생성 때문일 수 있다는 제안이 제기되었다.

양전자는 반양성자와 마찬가지로 우주의 어떤 가상의 "반물질" 지역에서 기원한 것으로 보이지 않는다. 반대로, 우주선에서 반헬륨 핵(즉, 반알파 입자)과 같은 복잡한 반물질 원자핵의 증거는 없으며, 이에 대한 탐색이 활발히 진행 중이다. AMS-02의 프로토타입인 AMS-01은 1998년 6월 STS-91 임무 중 디스커버리 우주왕복선에 실려 우주로 나갔다. AMS-01은 반헬륨을 전혀 검출하지 못함으로써, 헬륨에 대한 반헬륨의 선속 비율 상한선을 1.1×10−6으로 설정했다.

 인공적 생성 
캘리포니아에 위치한 로렌스 리버모어 국립연구소의 물리학자들은 짧고 매우 강력한 레이저를 사용하여 1밀리미터 두께의 금 표적에 조사함으로써 1,000억 개 이상의 양전자를 생성했다. 현재 실험실에서 대량 생성되는 5 MeV 양전자-전자 빔을 통해 다양한 원소들이 5 MeV 양전자 상호작용이나 충돌에 어떻게 반응하는지, 에너지가 입자로 어떻게 전달되는지, 그리고 감마선 폭발의 충격 효과는 어떠한지 등 여러 특성을 조사할 수 있다.

2023년, 유럽 입자 물리 연구소(CERN)와 옥스퍼드 대학교의 협력 연구팀은 HiRadMat 시설에서 실험을 수행하여, 10조 개 이상의 전자-양전자 쌍을 포함하는 나노초 단위의 전자-양전자 쌍 빔을 생성했다. 이로써 집단적인 플라스마 행동을 뒷받침할 만큼 충분한 밀도를 가진 최초의 '쌍 플라스마(pair plasma)'를 실험실에서 구현했다. 향후 실험을 통해 감마선 폭발, 빠른 무선 버스트(fast radio bursts), 블레이자 제트와 같이 수많은 전자-양전자 쌍이 생성되는 극한의 천체 물리학적 환경과 관련된 물리학을 연구할 가능성이 열렸다.

 응용 
특정한 종류의 입자 가속기 실험은 양전자와 전자를 상대론적 속도로 충돌시키는 것을 포함한다. 높은 충돌 에너지와 이러한 물질/반물질 대립물의 상호 소멸은 다양한 아원자 입자의 분출을 만들어낸다. 물리학자들은 이론적 예측을 테스트하고 새로운 종류의 입자를 탐색하기 위해 이러한 충돌 결과를 연구한다.

ALPHA 실험은 양전자를 반양성자와 결합하여 반수소의 성질을 연구한다.

양전자 방출 방사성 핵종(추적자)에 의해 간접적으로 방출되는 감마선은 병원에서 사용되는 양전자 방출 단층촬영(PET) 스캐너에서 감지된다. PET 스캐너는 인체 내 대사 활동의 상세한 3차원 영상을 생성한다.

양전자 소멸 분광법(positron annihilation spectroscopy, PAS)이라 불리는 실험 도구는 재료 연구에서 고체 재료 내의 밀도 변화, 결함, 변위 또는 공극을 감지하는 데 사용된다.

 같이 보기 

 포지트로늄

 각주 

분류:렙톤
분류:반물질
분류:물리학 개념
분류:기본 입자
분류:양자 전기역학