가둬 놓은 반물질 입자, 물리학 검증의 새 길 열다

미국 노스웨스턴대학교 물리학자들이 반물질 입자 하나를 수개월 동안 가둔 상태로 유지하고, 그 에너지를 측정 가능한 미세한 단계로 제어했다. 이번 성과는 물질과 반물질이 얼마나 정확히 서로 대칭을 이루는지 검증할 새로운 방법을 제시한다.

양전자라고 부르는 이 입자는 전자와 질량이 같지만 전하의 부호가 반대다. 둘이 만나면 소멸하면서 에너지를 방출한다. 따라서 양전자를 연구할 수 있는 상태로 유지하려면 일반 물질과 격리해야 한다.

제럴드 가브리엘스가 이끄는 연구팀은 방사성 붕괴로 생성된 양전자의 속도를 늦춘 뒤 전기장과 자기장을 이용해 그중 하나를 포획했다. 이를 통해 절대영도보다 불과 0.3도 높은 온도로 냉각한 거의 완벽한 진공 상태에서 양전자를 트랩 벽에 닿지 않도록 유지했다.

연구진은 양전자의 원운동을 가능한 최저 에너지 상태로 낮춘 뒤 마이크로파를 이용해 에너지 준위 사이를 이동시키고 그 변화를 검출했다. 연구는 10월 21일 Physical Review Letters에 게재됐다.

다음 단계로 연구팀은 양전자의 자기적 특성을 측정해 전자와 비교할 계획이다. 이론상 두 입자의 자기적 세기는 같아야 한다. 차이가 발견되면 기존 이론이 설명하지 못하는 물리 현상을 시사하고, 우주에 반물질보다 물질이 훨씬 많은 이유를 밝힐 단서를 제공할 수 있다. 이 비교 작업은 아직 진행 중이다.