양전자 수개월간 포획 성공, 전자와 무엇을 비교하나

우주가 탄생할 때 물질과 반물질은 같은 양으로 만들어졌을 것으로 여겨지지만, 지금 관측되는 우주에는 물질이 압도적으로 많다.

이 비대칭은 표준모형으로 충분히 설명되지 않는다.

제럴드 게이브리얼스 미국 노스웨스턴대 연구팀은 양전자 한 개를 수개월간 안정적으로 가두고 양자 상태를 관측해, 물질과 반물질의 성질을 정밀하게 비교할 실험 기반을 마련했다.

연구 결과는 21일(현지시간) 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(PRL)’에 발표됐다.

양전자는 전자와 질량은 같지만 양전하를 띠는 반물질이다.

물질과 반물질이 만나면 쌍소멸해 에너지를 내므로, 양전자를 주변 물질과 접촉하지 않게 붙잡아 두는 일부터 어렵다.

연구팀은 방사성 동위원소 나트륨-22의 붕괴로 나온 고에너지 양전자를 감속한 뒤, 전기장과 자기장으로 입자를 띄워 가두는 ‘페닝 트랩’에 포획했다.

장치 안은 0.3켈빈, 섭씨 영하 272.85도까지 냉각하고 초고진공 상태로 유지했다.

연구팀은 이 장치에 ‘단일 양전자 양자 사이클로트론’이라는 이름을 붙였다.

자기장 속에서 원운동하는 양전자가 계단처럼 구분되는 에너지 상태 사이를 전이하도록 유도하고, 그 과정을 관측하는 데도 성공했다.

이번 연구에서 양전자와 전자의 새로운 차이가 발견된 것은 아니다.

핵심은 양전자를 장기간 보존하고 제어하는 기술을 구현했다는 점이다.

다음 목표는 양전자의 자기적 세기와 방향을 나타내는 자기모멘트를 정밀하게 측정해 전자의 값과 비교하는 것이다.

연구팀은 앞선 전자 실험에서 자기모멘트를 약 10조분의 1 수준의 정밀도로 측정했다.

양전자에서도 비슷한 정밀도의 측정이 가능해지고, 기존 이론으로 설명되지 않는 차이가 발견된다면 물질-반물질 비대칭의 원인을 규명하는 데 기여하거나 표준모형을 넘어서는 물리법칙의 단서가 될 수 있다.