‘양전자 보존’ 실험 성공… 우주 물질-반물질 비대칭 실마리 풀리나

우주 탄생 때 물질-반물질 쌍생성… 현재 ‘물질의 양’ 압도적으로 많아 美 연구팀, 양전자 가둬 관측 성공 전자-양전자 성질서 차이 발견 땐 새로운 물리법칙 단서 가능성있어 반물질은 물질과 질량이 같지만 전자기적 성질이 반대인 물질을 말한다. 반물질은 우주가 탄생할 때 물질과 함께 생성됐을 것으로 추정되지만 현재는 거의 남아 있지 않다는 점이 현대 물리학의 난제로 꼽힌다. 게티이미지뱅크 반물질은 물질과 질량이 같지만 전자기적 성질이 반대다. 음전하(―)를 띠는 전자의 반물질인 양전자(positron)는 전자와 질량이 같지만 양전하(+)를 띤다. 어떤 물질과 그 물질의 반물질이 만나면 에너지를 내며 쌍소멸한다. 반물질은 우주가 탄생할 때 물질과 함께 생성됐을 것으로 추정되지만 주변에 거의 존재하지 않고 생성되더라도 주변의 물질과 쉽게 상호작용해 사라지기 때문에 제어하기가 매우 어렵다. 제럴드 게이브리얼스 미국 노스웨스턴대 물리천문학과 석좌교수 연구팀은 양전자 1개를 극저온 진공 상태에서 수개월간 가둬 정밀하게 제어하는 데 성공하고 연구 결과를 21일(현지 시간) 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(PRL)’에 발표했다. 이번 성과가 주목받는 이유는 양전자를 붙잡아 특성을 매우 정밀하게 측정해 전자와의 차이점이 있는지 확인하면 물리학 난제인 우주의 물질-반물질 비대칭 원인을 규명하는 데 기여할 수 있기 때문이다.● 전자-양전자 비교할 실험 기반 구축 빅뱅으로 우주가 처음 만들어질 때 물질과 반물질은 동일한 양으로 생성됐을 것으로 여겨지지만 현재 관측 가능한 우주에는 물질의 양이 압도적으로 많다. 우주를 구성하는 기본 입자들과 기본 힘들에 대한 이론인 ‘표준모형’은 현재 물질과 반물질의 비대칭을 충분히 설명하지 못한다. 게이브리얼스 교수팀은 물질과 반물질에 물리법칙이 동일하게 적용되는지 검증하기 위한 실험 기반을 마련했다. 연구팀은 방사성 동위원소인 나트륨-22가 붕괴하면서 방출하는 고에너지 양전자를 감속한 뒤 전기장과 자기장을 이용해 입자를 공중에 띄워 가두는 ‘페닝 트랩’에 포획했다. 이후 실험장치 내부를 영하 272.85도인 0.3켈빈(K·절대온도의 단위)까지 냉각하고 초고진공 상태를 유지했다. 양전자가 주변 물질과 충돌하지 않도록 해 양전자 한 개를 수개월 동안 안정적으로 가두는 데 성공했다. 구현된 장치에는 ‘단일 양전자 양자 사이클로트론’이라는 이름이 붙었다. 사이클로트론 운동은 전하를 띤 입자가 자기장 속...