물질 생성

Matter creation

논의를 물리학으로 제한한다 하더라도, 과학자들은 물질이 무엇인지에 대한 독특한 정의를 가지고 있지 않다.기초 입자와 상호작용의 표준모델로 요약된 현재 알려진 입자물리학에서는 물질의 입자와 반물질의 입자를 절대 감각으로 구별할 수 있다.이것은 전자, 양성자 또는 쿼크와 같이 전하를 운반하는 입자들에게 특히 쉬운 반면, 전하를 운반하지 않는 기본적인 기본 입자인 중성미자의 경우 구별이 더 미묘하다.표준 모델에서, 물질 입자의 순량을 생성하는 것은 불가능하며, 더 정확히 말하면, 입자 사이의 어떤 섭동 반응에서 렙톤 수나 쿼크의 순 개수를 변경하는 것은 불가능하다.이 말은 현존하는 모든 관찰과 일치한다.

그러나 유사한 과정은 불가능하다고 간주되지 않으며 표준 모델을 확장하는 다른 기본 입자 모델에서 예상한다.그것들은 렙토제네시스, 바이로제네시스 등 반물질에 대한 물질의 우주적 과잉을 설명하는 것을 목적으로 하는 추측 이론에서 필요하다.그것들은 심지어 실험실에서 양성자 붕괴나 소위 중성미자 이중 베타 붕괴에서 전자의 생성으로 나타날 수 있다.후자의 경우는 바로 위에 주어진 정의에 따라 중성미자가 물질과 반물질인 Majorana 입자일 때 발생한다.[1]

더 넓은 의미에서는 페르미온을 지칭하기 위해 물질이라는 단어를 간단히 사용할 수 있다.이런 의미에서 물질과 반물질 입자(전자, 양전자 등)는 사전에 식별된다.입자 전멸과 역행하는 과정을 물질 생성이라고 할 수 있다; 더 정확히 말하면, 우리는 여기서 전멸 과정의 시간 역전에 의해 얻어진 과정을 고려하고 있다.이 과정은 쌍생성이라고도 하며, 빛 입자(즉, 광자)를 하나 이상의 거대한[citation needed] 입자로 변환하는 것으로 설명할 수 있다.가장 흔하고 연구가 잘 된 경우는 두 개의 광자가 전자-양전자 쌍으로 변환되는 경우다.

광자 쌍 생산

주요기사 : 페어 프로덕션

모멘텀 보존법 때문에 단일 광자로 한 쌍의 페르미온(물질 입자)이 생성될 수 없다.그러나 물질 생성은 1차 광자의 운동량을 공유할 수 있는 다른 입자(다른 보손 또는 페르미온)가 있을 때 이러한 법칙에 의해 허용된다.따라서 물질은 두 개의 광자로 만들어질 수 있다.

에너지 보존의 법칙은 페르미온 한 쌍의 생성에 필요한 최소 광자 에너지를 설정한다. 이 임계 에너지는 생성된 페르미온의 총 휴식 에너지보다 커야 한다.전자-양전자 쌍을 만들려면 나머지 프레임에서 광자의 총 에너지는 최소 2mce2 = 2 × 0.511 MeV = 1.022 MeV(m은e 1 전자 질량이고 c는 진공에서 빛의 속도)여야 하며, 이는 부드러운 감마선 광자에 해당하는 에너지 값이다.양성자와 항정신병자처럼 훨씬 더 거대한 쌍을 만들려면 1.88 GeV(하드 감마선 광자) 이상의 에너지를 가진 광자가 필요하다.

광자-광자 충돌에서 e-e+− 쌍 생산의 비율에 대한 최초의 공식 계산은 1934년 Lev Landau에 의해 수행되었다.[2](광자의 충돌을 통한+) e-e− 쌍 생성과정이 초-릴레이성 전하 입자의 충돌에서 지배적인 것으로 예측되었다. 그 광자는 원래 입자의 운동 방향을 따라 좁은 원뿔로 방사되어 광자 유속이 크게 증가하기 때문이다.

고에너지 입자 충돌기에서 물질 생성 이벤트는 충돌하는 광자 제트에서 분출되는 다양한 이국적인 중입자를 만들어냈다.현재 2-광자 물리학은 이론적으로나 실험적으로 다양한 페르미온 쌍의 생성을 연구한다(입자 가속기, 공기 샤워기, 방사성 동위원소 등 사용).

직접 (쌍 생산에 의해) 또는 중간 입자의 붕괴에 의해(전자 및 전자 항티뉴트리노를 형성하기 위한 W 보손− 붕괴와 같은) 최소 임계치 이상의 다양한 에너지의 광자를 사용하여 쿼크, 렙톤 및 보슨을 포함한 표준 모델에서 모든 기본 입자를 생성할 수 있다.

위와 같이, 광자 기체로부터 보통의 바이오닉 물질을 생산하기 위해서는 이 기체는 광자 밀도가 매우 높을 뿐만 아니라 매우 뜨거워야 한다 – 광자의 에너지(온도)는 분명히 주어진 물질 입자 쌍의 나머지 질량 에너지를 초과해야 한다.전자의 생성을 위한 임계온도는 약10 10K, 양성자와 중성자의 경우 약 10K이다13.빅뱅 이론에 따르면, 초기 우주에서는 질량이 없는 광자와 거대한 페르미온이 자유롭게 상호 변환할 수 있었다.광자 가스가 팽창하고 냉각되면 낮은 에너지 광자가 더 이상 그들을 분해할 수 없기 때문에 일부 페르미온들은 (극히 적은 양 ~ 10−10) 남겨질 것이다.그 좌충우돌 페르미온들은 오늘날 우리 주위의 우주에서 볼 수 있는 물질이 되었을 것이다.

참고 항목

참조

  1. ^ Dell'Oro, S.; Marcocci, S.; Vissani, F. (2018). "Testing creation of matter with neutrinoless double beta decay". arXiv:1710.06732 [hep-ph].
  2. ^ Landau, L. D.; Lifshits, E. M. (1934). "Production of electrons and positrons by a collision of two particles". Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion. 6: 244–257. Zbl 0010.23102. Archived from the original on 2012-03-24. Retrieved 2011-09-11.