과학자들이 빛을 충돌시키자 물질이 생성되었다.

 

https://youtu.be/JJNKV5o3l5w?si=l3XX5uDfmbPUlrAZ

 

 

※ 본 내용은 유튜브 채널 '책밖과학'에서 제공하며, 타 블로그 및 유튜브 채널에서의 사용을 절대 금지합니다.

 

'빛에서 물질이 생성되었다.'

 

뭔가 마법같은 이야기 같지만, 그 일이 실제로 일어났습니다.

 

과학자들이 2개의 광자를 충돌시키자, 그곳에서 물질이 생겨나기 시작한 겁니다.

 

정말 아무것도 없는 빈 공간에서, 갑자기 물질들이 만들어지고 있었죠.

 

그런데 빛을 충돌시키는 것만으로 어떻게 물질이 생겨날 수 있는 걸까요?

 

혹시 빛에는 우리가 미처 몰랐던 더 놀라운 힘이 숨겨져 있는건 아닐까요?

 

 

 

 

 

브라이트 휠러(Breit Wheeler) 현상.

 

이 현상은 두 개의 광자가 서로 충돌하면 물질이 생성되는 현상을 말합니다.

 

1934년에 그레고리 브라이트와 존 휠러에 의해서 처음으로 확인되었죠.

 

당시 두 과학자는 광자가 충돌하게 되면, 전자와 양전자가 생성된다는 것을 확인했습니다.

 

 

 

그런데 빛이 충돌하는 것만으로, 빈 공간에서 어떻게 물질이 생성될 수 있을까요?

 

이것을 이해하려면 가장 먼저 '장(field)'이라는 것을 알아둘 필요가 있습니다.

 

사실 우리가 살고 있는 이 세상은, 우리의 눈에는 보이지 않는 장으로 가득차 있는데요.

 

예를 들면, 중력장이나 전자기장과 같은 양자장으로 가득차 있습니다.

 

만약 빛의 충돌이 이 양자장을 자극시킬 수 있다면, 물질이 만들어 질 수 있다는 거죠.

 

이는 호수의 수면과도 비슷하다고 할 수 있습니다. 평소 호수의 수면은 아주 잔잔한데요.

 

하지만 어느날 바람이 거세게 불게 되면, 호수의 수면이 서서히 요동치게 될 겁니다.

 

이 때 호수의 수면은 평소의 수면보다 훨씬 더 높은 에너지를 갖게 되겠죠.

 

그리고 호수 표면의 에너지가 결국 한계치를 넘어서게 되면, 호수의 수면은 요동치다 못해 물방울들이 사방으로 튀어오르게 됩니다.

 

양자장도 이와 비슷하다고 할 수 있는데요. 다만 양자장은 물방울 대신 전자와 양전자를 만들어 냅니다.

 

그리고 양자장의 자극은 빛의 충돌로도 가능하다는 것이 과거의 실험에서 확인이 되었던 거죠.

 

 

 

 

 

하지만 과학자들은 빛이 충돌해서 물질이 생성되는 과정을 직접 관측한 적은 한번도 없습니다.

(최초의 발견은 광자의 충돌에서 전자와 양전자가 생겨났다는 것만 확인)

 

그 이유는 물질의 생성 확률이 매우 낮기 때문인데요.

 

즉, 이것을 관측하려면 매우 높은 에너지를 가진 빛의 충돌 실험이 대규모로 이루어질 필요가 있습니다. 

 

하지만 이것을 준비하고 실행하는 과정은 여러가지 면에서 쉽지 않다고 할 수 있죠.

 

그래서 과학자들은 완전히 새로운 방법으로 물질의 생성 과정을 관측해보기로 했습니다.

 

이를 위해  과학자들은, 높은 에너지를 가진 레이저에 물질을 장시간 노출시켰는데요.

 

그러자 물질을 구성하는 원자핵과 전자들은 순간적으로 흩어지며 플라즈마 상태가 되었습니다.

 

과학자들은 물질이 플라즈마화된 이후에도 고 에너지의 레이저를 계속 유지시켰습니다.

 

그러자 물질의 내부에 있는 전자들이 레이저에 의해서 가속는 현상이 관찰되었는데요.

 

즉, 레이저가 가지고 있는 운동 에너지가 물질안의 전자들을 빠르게 가속시키고 있었던 겁니다.

 

 

 

 

 

결국 광속에 가깝된 가속된 전자들은 자신의 주변에 전자기장을 형성하게 되었습니다.

 

이 과정에서 전자들은 자신이 만든 전자기장과 상호작용하여 광자를 방출하고 있었죠.

 

특히 더 빠르게 가속된 전자일 수록 더 높은 에너지를 가진 감마선을 방출하고 있었습니다.

 

한편, 플라즈마 안에 있던 이온들은 전자보다 무거워서 상대적으로 느리게 가속되었는데요.

 

이들은 레이저의 끝부분 쪽에서 이동하며 주변에 전기장을 형성하고 있었습니다.

 

여기서 만들어진 전기장은 주변의 일부 전자들을 끌여당겨서 X선을 방출하게 만들었죠.

 

또한 이렇게 생성된 감마선과 X선은 작은 공간에서 휘몰아치며 서로 충돌하고 있었습니다.

 

즉, 플라즈마에 레이저를 계속 쏘는 것만으로, 고에너지의 광자가 충돌하는 환경이 만들어지게 된 겁니다.

 

 

 

 

 

그리고 과학자들은 이 충돌 과정에서, 전자와 양전자가 생성되는 것을 관측했습니다.

 

또한 생성된 양전자들이 레이저 방향으로 가속되어 양전자 빔이 되는 것도 확인할 수 있었죠.

 

1934년에 브라이트 휠러 현상이 발견된 이후 처음으로 그 과정이 정확히 관측된 순간이었습니다.

 

또한 플라즈마에 레이저를 쏘는 것만으로 많은 양전자를 얻을 수도 있었는데요.

 

이는 앞으로 양전자를 이용한 반물질 연구에도 많은 영향을 줄 것으로 생각됩니다.

 

 

분명히 우리 눈에는 보이지만 만질 수는 없는 빛.

 

이 빛이 세상의 근원이 되는 물질들을 만들어내고 있었습니다.

 

 

 

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