반물질(反物質, 영어: antimatter)은 보통 물질을 구성하는 입자에 대응하는 반입자(antiparticle)로 이루어진 물질이다. 반물질 입자는 해당 물질 입자와 질량이 동일하지만, 전하, 패리티(parity), 중입자 수, 경입자 수 등의 양자수에서 반대 부호를 가진다. 예를 들어, 전자(e⁻)의 반입자는 양전하를 띤 양전자(positron, e⁺)이며, 양성자(p)의 반입자는 음전하를 띤 반양성자(antiproton, \bar{p})이다.
역사 및 발견
반물질의 개념적 기원은 1928년 영국의 물리학자 폴 디랙(Paul Dirac)이 제시한 상대론적 양자역학 방정식(디랙 방정식)에서 비롯되었다. 디랙 방정식은 전자에 대해 양의 에너지 상태뿐만 아니라 음의 에너지 상태도 존재함을 예측하였으며, 이는 곧 반전자(양전자)의 존재 가능성을 시사한 것으로 해석되었다. 1932년, 칼 데이비드 앤더슨(Carl David Anderson)은 우주선 실험에서 최초로 양전자를 발견하였고, 이 공로로 1936년 노벨 물리학상을 수상하였다. 이후 1955년에는 에밀리오 지노 세그레(Emilio Gino Segrè)와 오언 체임벌린(Owen Chamberlain)이 버클리 연구소의 베바트론(Bevatron)을 이용하여 반양성자를 실험적으로 확인하였으며, 이들은 1959년 노벨 물리학상을 수상하였다. 반중성자(antineutron)는 1956년 발견되었다.
특성
물질과 반물질이 충돌하면 쌍소멸(annihilation)이라는 과정을 통해 두 입자의 질량이 순수 에너지로 전환된다. 이때 방출되는 에너지의 양은 질량-에너지 등가 원리(E=mc²)에 따라 결정되며, 주로 고에너지 감마선(gamma ray)이나 다른 입자-반입자 쌍의 형태로 방출된다. 반물질 1kg이 물질 1kg과 반응하면 약 1.8×10¹⁷ J(180페타줄)의 에너지가 방출되는데, 이는 차르 봄바급의 위력(약 43메가톤 TNT)에 해당한다.
중력에 관한 한, 반물질은 물질과 동일한 방식으로 행동한다. 즉, 반물질은 위로 떠오르지 않고 아래로 떨어진다. 이는 CERN의 ALPHA(Alpha Laser Physics Apparatus) 실험을 통해 반수소(antihydrogen) 원자를 이용하여 실험적으로 확인되었다.
자연적 생성
반물질은 자연에서도 발생한다. 양전자는 칼륨-40(K-40)과 같은 방사성 동위원소의 β+ 붕괴 과정에서 자연적으로 방출되며, 우주선(cosmic ray)이 지구 대기와 충돌할 때도 생성된다. 또한 뇌우(번개) 구름 내의 강한 전기장에 의해 가속된 전자가 지상 감마선 섬광(Terrestrial Gamma-ray Flash, TGF)을 일으키면서 양전자가 생성되기도 한다. 반양성자는 지구 주변 밴 앨런대(Van Allen belt)에 포획되어 존재하는 것으로 확인되었으며, 목성, 토성, 해왕성, 천왕성 주변에도 유사한 반양성자 벨트가 존재할 것으로 추정된다.
인공 생성 및 보존
입자 가속기를 이용하여 반물질을 인공적으로 생성할 수 있다. CERN(유럽 입자 물리 연구소)은 반양성자 감속기(Antiproton Decelerator)와 저에너지 반양성자 링(LEAR) 등을 이용하여 반양성자를 생산하고 감속·포획하는 기술을 개발하였다. 1995년 CERN은 최초로 9개의 반수소(antihydrogen) 원자를 생성하였고, 2002년에는 ATHENA 프로젝트와 ATRAP 프로젝트가 냉각된 반수소를 대량 생산하는 데 성공하였다. 2010년에는 ALPHA 협력팀이 반수소 원자를 자기 트랩(magnetic trap)에 포획하는 데 성공하였으며, 2011년에는 최대 1,000초(약 17분) 동안 유지하는 데 성공하였다.
반물질은 일반 물질로 만들어진 용기에 저장할 수 없는데, 이는 접촉 즉시 쌍소멸하기 때문이다. 따라서 하전된 반입자는 전기장과 자기장을 이용한 페닝 트랩(Penning trap)에 포획되며, 중성 반물질(반수소 등)은 자기장을 이용한 자기 트랩(minimum-B trap)에 가둔다.
우주의 물질-반물질 비대칭성
현재 관측 가능한 우주는 물질과 반물질이 동등한 혼합 상태가 아니라 거의 전적으로 보통 물질로 구성되어 있다. 이는 물리학의 미해결 난제 중 하나로, 물질-반물질 비대칭성(matter-antimatter asymmetry) 또는 중입자 생성(baryogenesis) 문제라고 불린다. 빅뱅 초기에는 물질과 반물질이 동일한 양으로 생성되었다가 쌍소멸되었을 것으로 추정되지만, 미량의 물질이 남아 현재의 우주를 구성하게 된 정확한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다.
응용 분야
반물질은 의료 분야에서 실용적으로 활용되고 있다. 양전자 방출 단층촬영(Positron Emission Tomography, PET)은 방사성 동위원소에서 방출되는 양전자가 체내 전자와 쌍소멸할 때 발생하는 감마선을 검출하여 인체 내부의 대사 활동을 영상화하는 기술이다. 또한 반양성자를 이용한 방사선 치료(antiproton radiotherapy)에 대한 연구도 진행 중이다.
우주 추진 분야에서는 반물질 촉매 핵펄스 추진(antimatter-catalyzed nuclear pulse propulsion)이나 반물질 로켓의 연료로서 활용 가능성이 연구되고 있으나, 현재 기술로는 생산 비용이 극도로 높아 실용화에 이르지 못하고 있다. NASA의 추정에 따르면 반수소 1그램을 생산하는 데 약 62조 5천억 달러(1999년 기준)가 소요되는 것으로 알려져 있다.
