양전자 수개월간 포획…물질 비대칭 연구 단서, 전자와 무엇을 비교하나

미국 노스웨스턴대 제럴드 게이브리얼스 교수 연구팀이 양전자 한 개를 수개월 동안 안정적으로 가두고 에너지 상태를 제어하는 데 성공했다.

연구 결과는 10월 21일(현지시간) 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 발표됐다.

이번 성과는 물질과 반물질이 왜 오늘날 우주에서 서로 다른 양으로 관측되는지 연구할 실험 기반을 마련했다는 데 의미가 있다.

양전자는 전자와 질량은 같지만 전하가 반대인 반물질이다.

물질과 반물질은 만나면 에너지를 내며 쌍소멸하므로, 양전자를 오래 보존하려면 주변 물질과 접촉하지 않게 해야 한다.

연구팀은 나트륨-22의 붕괴로 나온 고에너지 양전자를 감속한 뒤, 전기장과 자기장으로 입자를 띄워 가두는 페닝 트랩에 넣었다.

장치 내부를 0.3켈빈, 섭씨 영하 272.85도까지 냉각하고 초고진공 상태로 유지해 충돌을 억제했다.

연구팀은 이 장치를 ‘단일 양전자 양자 사이클로트론’이라고 이름 붙였다.

포획된 양전자가 계단처럼 나뉜 에너지 상태 사이를 전이하도록 유도하고 이를 관측하는 데도 성공했다.

다만 이번 연구에서 전자와 양전자의 성질 차이를 새로 발견한 것은 아니다.

양전자를 보존하고 정밀하게 다룰 기술을 갖췄다는 것이 직접 확인된 성과다.

다음 단계의 핵심은 양전자의 자기모멘트를 정밀 측정해 전자의 값과 비교하는 것이다.

자기모멘트는 입자의 자기적 세기와 방향을 나타낸다.

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

양전자에서도 기존 이론으로 설명되지 않는 차이가 확인된다면, 물질과 반물질의 비대칭을 이해하고 표준모형을 넘어서는 물리법칙을 찾는 단서가 될 수 있다.