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반물질 Antimater

세상에서 가장 비싼 물질은 뭘까
[강석기의 과학카페 83]반물질은 1그램에 7경 원 2012년 06월 06일
반물질 1그램에 7경 원(62조 5000억 달러)으로 2위인 캘리포늄의 307억 원보다 200만 배 이상 더 비싸다. 다이아몬드는 3위로 1그램에 ‘불과’ 6200만 원.

지구에 도달하는 햇빛의 10%는 반물질에서 비롯된다고 한다. 무슨 말인가 하면 태양 내부에서 일어나는 핵융합 반응에서 수소원자핵(양성자) 4개가 헬륨원자핵이 되는 과정에서 양전자(전자의 반물질)가 2개 나온다. 이 양전자는 나오자마자 주변의 전자를 만나 소멸되며 강력한 감마선을 낸다. 그런데 이 감마선이 반지름이 수십만 킬로미터인 태양의 내부를 빠져나오면서 에너지를 조금씩 잃어 결국은 표면에 나왔을 때는 가시광선이 돼 지구로 오는 것.

빛이 태양에서 지구까지 여행하는 데는 불과 8분 30초가 걸리지만 태양 중심에서 표면으로 빠져나오는 데는 무려 10만 년이 걸린다고 한다. 따라서 우리가 지금 느끼는 햇빛 가운데 10%는 10만 년 전 핵융합으로 만들어진 양전자가 그 출발점인 셈이다. 반면 핵융합 과정에서 함께 나오는 뉴트리노는 물질과 상호작용을 하지 않기 때문에 바로 태양내부를 통과해 거의 광속으로 지구에 도달한다.

책 말미에는 ‘반물질의 비용’이라는 제목의 부록이 실려 있는데 앞에 소개한 반물질 가격 기사와 관련해 소개한다. 먼저 물질로 이뤄진 우리 세상에서 반물질을 1그램이나 모을 수 있느냐가 문제다. 1그램이면 적은 양 같지만 반수소일 경우 아보가르도 숫자(6×1023)만큼 있어야 한다.

그런데 책 부록에 따르면 현재 유럽입자물리연구소(CERN)의 반양성자감속기(AD)에서 만들 수 있는 반양성자(반수소 원자핵) 개수는 1년에 약 10조 개(1013) 정도다. 이런 ‘생산성’이라면 지금 우주의 나이 만큼 더 지난 뒤에도 1그램을 만들지 못한다.

게다가 반물질은 물질과 만나면 소멸하기 때문에 만들어진 반물질을 격리해야 하는데 이것도 큰 문제다. 반물질 격리는 1984년 독링의 물리학자 한스 데멜트가 처음 성공했다. 그는 양전자 하나를 엄지손가락 절반 크기의 작은 실린더(페닝 트랩이라고 부른다) 안에 포획해 3개월 간 살려뒀다. 내부에 전자기장을 교묘하게 걸어 안의 반물질이 뱅뱅 돌면서 벽에는 안 부딪치게 한 것이다. 그는 이 업적으로 1989년 노벨물리학상을 받았다.

한편 지난해 CERN의 알파(ALPHA) 프로젝트로 불리는 반수소연구그룹은 반수소를 만들어 1000초 동안 살려두는데 성공했다(반수소는 전하가 0이라 잡아두기가 훨씬 더 어렵다). 따라서 설사 반수소 1그램이 있다고 해도 온전하게 보존할 방법이 없는 게 현실이다.

반물질 1그램이면 한 나라를 날려버릴 수 있다는 말도 엉터리다. 물론 반물질이 물질과 만나 소멸되면 폭발력이 엄청난 건 맞다. 질량이 온전하게 에너지로 바뀌기 때문이다. 그러나 책을 보면 반물질 0.5그램(+물질 0.5그램)이 히로시마에 터진 핵폭탄 하나와 맞먹는 파괴력이 있다고 한다. E=mc2으로 계산해보면 답이 나온다. 결국 소설이나 영화에서 나오는 반물질의 이미지는 상상(imagination)일 뿐이다.

영국 런던 웨스트민스터 사원에 있는 폴 디랙의 묘비에는 반물질의 개념이 나온 유명한 디랙방정식이 새겨져 있다. (제공 ‘Antimatter’)
반물질의 개념은 영국의 천재 물리학자 폴 디랙이 양자역학에 특수상대성이론을 적용해 얻은 식(디랙방정식)을 해석하는 과정에서 나왔다. 디랙은 1928년 전자의 에너지를 구하는 식을 얻은 뒤 해를 구했는데 음의 에너지 값도 나왔던 것. 3년 간 그 의미를 고민하던 디랙은 마침내 놀라운 통찰력으로 에너지 값은 양으로 두고 거꾸로 전자의 전하를 음에서 양으로 바꿔 이 해의 의미를 찾아냈다. 즉 반전자의 존재를 예언한 것이다. 그리고 이듬해 미국의 실험물리학자 칼 앤더슨이 우주선에서 반전자의 궤적을 찾았다고 보고했다. 올해는 반물질의 존재가 확인된 지 80주년 되는 해다.

영국 런던 웨스트민스터 사원에 있는 폴 디랙의 무덤은 물리학의 거성 아이작 뉴턴의 무덤 옆에 나란히 놓여 있다고 한다. 그의 묘비에는 이름, 직업, 생몰 년도와 함께 반물질의 개념이 들어있는 유명한 디랙방정식이 새겨져 있다. 아인슈타인의 E=mc2과 달리 무덤을 찾는 사람들 대다수는 디랙방정식의 의미는 물론 그 기호가 뭘 뜻하는지조차 알지 못하겠지만 말이다.