양전자 한 개를 수개월 포획…물질·반물질 차이는 어떻게 확인할까

미국 노스웨스턴대 제럴드 게이브리얼스 교수 연구팀이 양전자 한 개를 극저온 진공에서 수개월간 안정적으로 가두고 양자 상태를 제어했다.

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

이번 성과는 전자와 양전자의 성질을 정밀하게 비교해 우주에 물질이 반물질보다 훨씬 많은 이유를 찾는 실험 기반을 마련했다는 데 의미가 있다.

양전자는 전자와 질량은 같지만 양전하를 띠는 반물질 입자다.

물질과 반물질은 만나면 에너지를 내며 쌍소멸하므로, 양전자를 오래 붙잡아 두려면 주변 물질과의 충돌을 막아야 한다.

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

장치 내부를 0.3켈빈, 섭씨 영하 272.85도까지 냉각하고 초고진공 상태를 유지했다.

‘단일 양전자 양자 사이클로트론’으로 이름 붙인 장치에서 연구팀은 포획한 양전자가 계단처럼 구분된 에너지 상태 사이를 전이하도록 유도하고 관측했다.

다음 목표는 양전자의 자기적 세기와 방향을 나타내는 물리량인 자기모멘트를 정밀하게 측정해 전자와 비교하는 것이다.

연구팀은 선행 실험에서 전자 한 개의 자기모멘트를 약 10조분의 1 수준의 정밀도로 측정했다.

이번 연구에서 양전자의 자기모멘트를 측정하거나 전자와의 새로운 차이를 발견한 것은 아니다.

성과는 양전자를 포획·냉각하고 양자 상태를 제어하는 기술을 구현한 데 있다.

이 비교가 중요한 까닭은 빅뱅 때 물질과 반물질이 같은 양으로 만들어졌다고 여겨지지만 현재 우주에는 물질이 압도적으로 많기 때문이다.

표준모형은 이 비대칭을 충분히 설명하지 못한다.

중성미자와 반중성미자의 진동 양상을 비교해 CP 대칭성 위반을 찾는 연구도 진행 중이다.

CP 위반은 입자를 반입자로 바꾸고 공간을 거울에 비친 것처럼 뒤집었을 때 대칭성이 깨지는 현상이다.

중국 주노는 2025년 8월 가동을 시작했으며, 일본 하이퍼가미오칸데는 2028년, 미국 듄은 2030년대 가동을 목표로 한다.

양전자 연구는 이와 달리 입자 자체의 성질을 직접 비교할 기반을 마련했다.