물질과 반물질이 만나면 왜 사라지면서 빛이 될까?

Why do matter and antimatter vanish into light when they meet?

양전자와 전자가 만나면 정말 «사라지고» 빛만 남을까요?

무슨 일이 일어났나

물질과 반물질이 만나면 서로 없어지며 에너지를 내는데(DOE), 이때 사라진 질량은 E = mc² 만큼의 빛 에너지가 됩니다(DOE).

전자 하나의 정지 에너지는 0.511 MeV 이고(CODATA), 양전자와 전자는 보통 반대 방향으로 날아가는 감마선 두 개가 됩니다(LBL). 시뮬레이터에서 두 광자 에너지의 합은 164 fJ 입니다.

PET 촬영은 이 쌍소멸을 이용합니다(APS) — 두 검출기가 함께 울리면 그 사이 줄 위 어딘가에서 소멸이 일어났다고 보고 줄을 겹쳐 그림을 만듭니다. 시뮬레이터의 PET 약 플루오린-18 반감기는 6.59 ks(약 110 분)입니다.

반양성자와 양성자가 만날 때의 소멸은 이보다 더 복잡합니다(LBL).

💡 생활 속 예시

  • 병원의 PET 영상은 몸속 약에서 나온 양전자가 전자와 만나 사라질 때 나오는 두 광자를 잡아 만듭니다(APS).
  • APS 에 따르면 CERN 이 한 해 동안 만든 반양성자로는 100 W 전구를 3 초 켤 수 있을 뿐이라, 반물질을 연료처럼 모아 쓰기는 아주 어렵습니다.

확인된 값

물질과 반물질이 만나면 서로 없어지며 에너지를 낸다
annihilation 출처
양전자 + 전자 → 반대 방향으로 날아가는 감마선 두 개
2 개 출처
E = mc² — 사라진 질량이 빛 에너지가 된다
E = mc² 출처
전자 하나의 정지 에너지 0.511 MeV (CODATA 2022)
8.1871057879e-14 J 출처
반양성자와 양성자의 소멸은 더 복잡하다 (파이온 여러 개)
more complicated 출처
CERN 이 한 해 동안 만든 반양성자로 100 W 전구를 3 초 켤 수 있다 (APS, 2004)
100 W × 3 s 출처
PET 촬영은 양전자와 전자의 소멸을 이용한다
PET 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 고급 물리학 · 현대 물리 [12고물04-06]
  • 일본 · 高等学校 物理 (4) 原子

출처

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