반입자

요약 보통의 입자와 질량이나 수명, 스핀 등의 물리적 속성은 같지만 반대 부호의 전하, 핵자수, 자기모멘트를 가지는 입자를 말한다. 대표적인 예로 양전자, 반양성자, 반중성자 등의 입자가 있다.

1898년 영국의 물리학자 아서 셔스터(Author Schuster)가 반물질(antimatter)의 가능성을 처음 제시하였고, 30여년 후 1928년 디랙(Paul A.M. Dirac)에 의해 밝혀졌다.디랙은 전기장내에 있는 대전된 입자의 파동 방정식에 상대론적 수정을 한 디랙방정식을 유도하였다. 광속이 c일 때, 운동량 p, 정지질량 m인 자유입자의 총 에너지(E)에 대한 상대론적 공식은 다음과 같다.



이 공식에 의하면 전자의 경우 양의 에너지(+E)와 음의 에너지(-E)를 모두 가져야 함을 의미한다. 또한 음의 에너지는 질량-에너지 등가원리()에 의해 음의 질량의 존재를 의미한다. 디랙의 설명에 의하면 진공이란 아무것도 없는 공간이 아니라 음의 질량을 가진 전자로 차있는 공간이다. 양의 질량의 전자가 음의 질량의 전자가 되는 것을 관측할 수 없는 이유는 음의 질량의 상태가 음의 질량의 전자로 가득 차 있기 때문에 양의 질량이 뚫고 들어갈 틈이 없기 때문이다. 그러나 반대로 양의 질량의 전자 상태에는 틈이 있기 때문에 충분한 에너지만 공급하면 음의 에너지에서 양의 에너지 상태로 변할 수 있다. 다시말해 진공 상태에서 가득 차 있는 음의 질량의 전자가 하나 없어지면 양의 질량과 양의 전기를 가진 입자가 생기는 것이다. 이 입자를 양전자라고 명명하였고, 전자의 반입자인 양전자는 1932년 앤더슨(Carl David Anderson)이 우주선(cosmic ray) 속에서 원자핵간의 충돌에 의한 2차 입자 흐름 속에서 양전하를 검출해 냄으로써 실험적으로 증명하였다.

반입자는 입자에 대해 질량, 수명, 스핀, 전하의 크기는 같지만 반대 부호를 갖는다. 따라서 중성 입자의 경우 반입자 역시 중성이다. 또한 입자와 반입자가 만나면 두 입자는 서로 소멸할 수 있고, 정지 질량 에너지 전부는 광자들의 형태인 전자기 복사로 변환하고 소멸한다.
예를 들어 양성자(p)와 반양성자()는 다음의 반응으로 소멸된다.



이때, 전하는 보존되고 광자는 대전되어 있지 않으므로 입자와 반입자는 반대의 전하를 가져야함을 알 수 있다.  또한, 핵자수(nucleon number)도 반대의 핵자수를 가져야 한다. 양성자와 중성자는 핵자수는 +1이고, 전자나 광자의 핵자수는 0이다. 양성자의 핵자수가 +1이고 광자의 핵자수가 0이므로 보존 법칙에 의해 반양성자는 -1의 핵자수를 가져야 한다. 따라서 반입자는 입자에 대해 반대 전하와 반대 핵자수를 가져야 한다.



중성자(n)의 경우 전하가 0이므로 반중성자()의 전하도 0이다. 따라서 전하에 대해서는 차이가 없다. 그렇지만 핵자수가 중성자는 1, 반중성자는 -1로 차이가 있기 때문에 두 입자는 서로 다르다. 그렇기 때문에 중성자는 반중성자를 소멸시킬 수 있다.

중성자는 중성자의 반응은 입자의 전하가 0이므로 [0+0=0]으로 반응이 성립되지만, 핵자수가 [1+1≠0]으로 보존이 성립하지 않으므로 반응이 불가능하다.



만약, 핵자수의 보존에 무관하게 반응이 성립한다면 핵 안의 중성자가 급속하게 사라질 것이므로 물질이 안정하지 못할 것이다.

이러한 반양성자와 반중성자의 존재는 1955년 체임벌린(Owen Chamberlain)과 세그레(Emilio Segre)에 의해 실험으로 확인되었으며 반양성자의 발견으로 1959년 노벨 물리학상을 수상하였다.