빛과 빛을 충돌시키면 일어나는 현상

일상적으로 빛과 빛은 곳곳에서 충돌하고 있을 것 같다. 예를 들어 두 개의 손전등을 서로 마주 보게 하는 실험을 생각해보면 빛은 사라지지 않거나 튀어 오르거나 땅에 떨어지거나 하지 않는다. 그냥 통과할 뿐이다.

거울을 이용하여 태양광선끼리를 부딪히는 실험이나 강력한 레이저 광선을 사용한 실험이 이루어졌습지만 역시 빛은 그대로 통과한다. 빛과 빛은 간섭 등의 현상을 일으킬 수 있지만 튀어 오르거나 반응하지는 않는다. 이것은 물체와 물체, 빛과 물체가 부딪쳤을 경우에 튀어 오르거나 빛이 없어져 버리는 것과 완전히 다르다.

높은 에너지의 빛끼리의 충돌

그러나 에너지가 높은 빛인 감마선끼리 충돌시키면 반응이 일어난다. 이것은 빛의 에너지가 상대성이론의 효과로 물질로 바뀌기 때문이다. 광자의 에너지를 점점 올려 갔을 경우의 충돌현상을 살펴보자. 높은 에너지의 빛에서는 입자로서의 성질이 중요하기 때문에 이제부터 빛을 '광자'라고 부른다.

우선 광자 1개의 에너지가 전자의 질량에 대응하는 에너지(0.511MeV)보다 커지면 2개의 광자의 충돌로 인해 전자와 그 반입자인 양전자의 쌍이 만들어진다. 2개의 광자는 사라져 없어져 버린다.

광자 + 광자 → 전자 + 양전자

한층 더 에너지를 올리면 질량이 큰 입자나 다수의 입자가 한 번에 만들어지게 된다. 그 중의 흥미로운 현상으로서 무거운 중간자의 생성(0.5~5GeV 정도의 광자에서 일어난다)이나 에너지가 높은 쿼크나 글루온으로부터 만들어지는 다수의 입자군의 생성(주로 2GeV 이상의 광자)이 일어난다. 한층 더 높은 에너지의 광자를 사용하면 힉스입자 등의 소립자도 가능하다.
※1MeV=백만 전자볼트, 1GeV=10억 전자볼트

현재까지의 광자·광자 충돌실험의 성과

높은 에너지의 광자를 어떻게 만들까? 전자나 양성자는 전기를 띠고 있기 때문에 전기의 힘으로 에너지를 줄 수 있지만 광자는 전기를 띠지 않기 때문에 되지 않는다. 보통은 가속기로 높은 에너지까지 가속한 전자를 금속판에 충돌시켜 높은 에너지의 광자를 방출시킨다. 그렇지만 이 방법에서는 금속판을 통과할 때에 전자의 빔의 방향이 방해되기 때문에 광자의 날아가는 방향이 다소 퍼져 버려 광자·광자 충돌실험에는 적합하지 않다.

현재의 광자·광자 충돌실험은 전자와 양전자가 충돌하는 순간의 극히 짧은 시간에만 나타나는 '가상 광자'를 사용해 이루어지고 있다. 가상 광자끼리의 충돌은 전자와 양전자의 충돌시 자연스럽게 발생하는 현상이다.

하드론 제트와 같은 현상을 대량으로 관측해 상세한 연구를 했다. 그리고 광자 안에 글루온이라는 입자의 성분이 있기 때문에 일어나고 있는 현상이 있다는 것을 확인했다. 글루온은 본래 양성자 등 물질을 만드는 입자 속에서 발견되는 것인데 이 현상은 글루온이 광자 안에도 있다는 빛의 의외의 일면을 보여주는 귀중한 현상이다.

미래의 가능성

새로운 방식으로서 전자빔과 양전자빔 각각에 레이저광을 대고 매우 높은 에너지의 광자·광자 충돌이 생각되고 있다.

이처럼 우리의 일상생활에서는 결코 일어나지 않는 빛과 빛의 충돌은 높은 에너지에서는 다채로운 현상을 통해 소립자의 세계로부터 중요한 메시지를 전해 준다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 光と光をぶつけたら
https://www2.kek.jp/ja/newskek/2003/mayjun/photon.html