양전자 수개월간 포획해 물질 연구, 전자와 무엇을 비교하나

미국 노스웨스턴대 제럴드 게이브리얼스 교수 연구팀이 반물질 입자인 양전자 한 개를 수개월간 가둬 정밀하게 제어하는 데 성공했다.

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

이번 성과는 양전자의 성질을 측정해 전자와 비교할 실험 기반을 마련했다는 데 의미가 있다.

양전자는 전자와 질량은 같지만 전하가 반대인 입자다.

물질과 반물질이 만나면 에너지를 내며 서로 사라지는데, 우주 초기에는 두 종류가 비슷한 양으로 생겼을 것으로 여겨지는 반면 오늘날 관측되는 우주는 물질이 압도적으로 많다.

표준모형만으로는 이 비대칭을 충분히 설명하지 못해, 전자와 양전자에 물리법칙이 똑같이 적용되는지 확인하는 일이 중요한 연구 과제가 됐다.

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

장치 내부를 0.3켈빈, 섭씨 영하 272.85도까지 냉각하고 초고진공을 유지해 주변 물질과 충돌하지 않도록 했다.

그 결과 양전자 한 개를 수개월 동안 안정적으로 보존했고, 입자가 계단식 에너지 상태 사이를 이동하는 모습도 관측했다.

다음 목표는 양전자의 자기모멘트, 즉 자기적 세기와 방향을 나타내는 물리량을 정밀 측정해 전자의 값과 비교하는 것이다.

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

이번 연구에서 전자와 양전자의 새로운 차이가 발견된 것은 아니다.

양전자를 오래 보존하고 제어하는 기술을 확보한 만큼, 이후 측정에서 기존 이론으로 설명되지 않는 차이가 나올지가 물질·반물질 비대칭을 이해할 단서가 될 수 있다.