양전자 장기간 포획 성공, 우주에 물질이 더 많은 이유 밝힐까

미국 노스웨스턴대 제럴드 게이브리얼스 교수 연구팀이 양전자 한 개를 극저온 진공에서 수개월 동안 붙잡아 정밀하게 제어하는 데 성공했다. 연구 결과는 21일(현지시간) 국제학술지 《피지컬 리뷰 레터스》에 발표됐다. 이번 성과는 양전자와 전자의 성질을 비교할 실험 기반을 마련했다는 데 의미가 있다.

양전자는 전자와 질량은 같지만 양전하를 띤 반물질 입자다. 물질과 반물질이 만나면 에너지를 내며 쌍소멸하기 때문에, 양전자를 주변 물질과 충돌하지 않게 보존하는 일부터 어렵다. 우주 탄생 때 물질과 반물질이 같은 양으로 만들어졌다고 여겨지지만, 지금 관측되는 우주는 물질이 압도적으로 많다.

표준모형도 이 비대칭의 원인을 충분히 설명하지 못한다.

연구팀은 방사성 동위원소 나트륨-22가 붕괴할 때 나오는 고에너지 양전자를 감속한 뒤, 전기장과 자기장으로 입자를 공중에 가두는 ‘페닝 트랩’에 넣었다. 장치 내부를 0.3켈빈, 섭씨 영하 272.85도까지 냉각하고 초고진공을 유지해 양전자 한 개를 안정적으로 보존했다.

연구팀은 이 장치를 ‘단일 양전자 양자 사이클로트론’이라 이름 붙였으며, 포획한 양전자의 에너지 상태 전이를 유도하고 관측하는 데도 성공했다.

다음 목표는 양전자의 자기모멘트를 매우 정밀하게 측정해 전자의 값과 비교하는 것이다. 자기모멘트는 입자의 자기적 세기와 방향을 나타낸다. 연구팀은 앞선 실험에서 전자 한 개의 자기모멘트를 약 10조분의 1 수준의 정밀도로 측정한 바 있다. 이번 연구에서 전자와 양전자 사이의 새로운 차이가 발견된 것은 아니다.

양전자 포획과 냉각, 상태 제어 기술을 구현해 후속 측정의 기반을 마련한 것이 핵심이다. 향후 두 입자의 성질에서 기존 이론으로 설명되지 않는 차이가 확인되면 물질 우세의 수수께끼를 푸는 단서가 될 수 있다.