반물질을 뇌운 속에서 발견?

어떤 물질과 완전히 반대의 성질을 가진 물질을 '반물질'이라고 합니다. 이 반물질이 물질과 충돌하면 대소멸하여 막대한 에너지를 방출한다고 추정되는데 많은 시행착오 끝에 뇌운 속에서 감지에 성공한 것으로 밝혀졌습니다.

Rogue antimatter found in thunderclouds : Nature News & Comment
http://www.nature.com/news/rogue-antimatter-found-in-thunderclouds-1.17526

에반게리온 시리즈에서 등장하는 포지트론 라이플은 전자의 반입자인 '양전자'를 사용한 가상의 무기이고 전설 거신 이데온에 등장하는 반물질 엔진도 반물질을 응용한 가상의 엔진입니다. SF 작품에서 막대한 에너지로 취급되는 반물질인데 뉴햄프셔대학에서 대기물리학자로 일하는 조셉 드와이어 박사가 뇌운 속에서 예기치 않게 반물질을 감지했다고 밝혔습니다.

지금까지는 전자의 반입자인 '양전자'는 방사성 원자의 붕괴에 의해 만들어지는 것으로, 이 붕괴현상은 대기권 밖으로부터 쏟아지는 우주선에 의해 일어나는 것으로 생각되었습니다. 그러나 지난 10년간의 연구를 통해 드와이어 박사는 강렬한 폭풍이 강한 빛과 감마선을 방출할 때 양전자를 생성한다는 것을 증명했습니다.

그래서 드와이어 박사는 플로리다 공과대학과 협력하여 대기 중 감마선량 조사했습니다. 조사에서는 입자검출기를 제트기인 걸프 스트림 V에 설치하여 대기 중의 감마선량을 계측했습니다.

2009년 8월 21일, 걸프 스트림 V가 조지아주 해안지역을 향해 비행하고 있었을 때, 격렬한 뇌우 속을 비행하게 되었는데 그 때 감지기가 우연히도 3개의 파동를 감지했습니다. 감지한 것은 511킬로 전자볼트의 감마선으로 전자와 양전자가 대소멸했을 때 발생한 것으로 추정되었습니다. 또한 감마선 감지는 불과 0.2초 정도의 극히 짧은 시간이었다고 합니다. 당시 연구팀은 감마선을 감지한 시간을 분석해 걸프 스트림 V는 1킬로미터에서 2킬로미터 정도 크기의 양전자 구름에 돌진했다고 결론을 내렸습니다. 다만 어떻게 양전자의 구름이 생성되었는지까지는 불분명했다고 합니다.

이 양전자 생성과정을 명확하게 모델링하기 위해 드와이어 박사들의 연구팀은 5년의 세월을 들였습니다. 분석결과 감지한 에너지는 양전자가 대소멸했을 때의 에너지로는 너무 낮은 것이었다고 합니다. 그러므로 연구팀은 감지된 감마선이 양전자가 아닌 것이라면 '양전자에서 생긴 우주선' 혹은 '외우주에서 날아온 입자와 충돌하여 초고층 대기 중에서 짙은 비를 발생시키는 고에너지 입자(감마선을 포함)라고 추측했습니다.

그리고 관측으로부터 6년 후인 2015년에 마침내 반물질이 존재하고 있었을지도 모른다는 사실이 밝혀졌는데, CERN의 입자물리학자인 재스퍼 카크비 박사는 드와이어 박사 연구팀이 추측한 양전자 구름의 크기 추측이 너무 모호하다고 보았습니다.

또한 러시아의 Lebedev Physical Institute에서 일하는 대기물리학자인 알렉산더 그리비치 박사는 뇌운 속에서는 강력한 자기장에 의해 항공기의 날개 부근이 대전되어 양전자가 생성된다고 설명했습니다.

결국 드와이어 박사가 이끄는 연구팀이 2009년에 감지한 것이 양전자였는지, 그 밖의 미지의 반물질이었는지는 현재도 불분명하고 현재 드와이어 박사는 입자감지기를 탑재한 풍선을 격렬한 폭풍 속으로 보내어 반물질의 감지를 시도하고 있습니다. 드와이어 박사는 “뇌운 내부의 기묘한 환경은 우리가 드디어 조사를 시작한 곳이어서 향후의 조사에서 무엇이 감지될지 기대가 크다"고 말했습니다.