노스웨스턴대 물리학자들이 전자의 반물질 쌍둥이인 양전자 하나를 포획해 수개월간 붙잡아 두면서 양자 상태를 한 단계씩 읽어냈다.
지난 10월 21일 학술지 '피지컬 리뷰 레터스'에 발표된 이 연구는 최초의 '단일 양전자 양자 사이클로트론'을 기술한다. 제럴드 가브리엘스 물리학 교수가 팀을 이끌었고, 그의 연구실 박사과정생인 토머스 마이어스가 제1저자다.
반물질을 붙잡기 어려운 이유
양전자는 일반 물질과 만나는 순간 사라진다. 양전자를 연구하려면 속도를 늦추고 포획한 뒤 모든 표면과 격리해야 한다. 연구팀은 방사성 붕괴로 생성된 양전자를 모아 속도를 줄이고, 단일 입자를 진공 용기 안의 전기장과 자기장으로 이뤄진 페닝 트랩에 넣었다.
포획에는 8~11시간이 걸린다. 일단 포획된 입자는 수개월간 머물렀는데, 이것이 반복 측정을 가능하게 한다.
양자 도약을 관측할 만큼 차갑게
희석 냉동기가 트랩을 약 300밀리켈빈, 즉 절대영도에서 1도도 안 되는 온도로 냉각했다. 이 온도에서 양전자의 원운동은 가장 낮은 양자 준위로 안정되므로, 마이크로파로 위아래 각 단계를 유도하고 주파수의 미세한 변화로 검출할 수 있다.
같은 기법을 단일 전자로 완성하는 데 이 연구팀은 약 20년이 걸렸다. 반물질로 이를 하려면 문제가 하나 더해진다. 입자가 떠도는 원자에 절대 닿지 않을 만큼 진공이 좋아야 하고, 트랩이 조정 없이 수개월간 안정적으로 유지돼야 한다.
아직 남은 측정
전자의 자기모멘트는 약 10조 분의 1 수준까지 측정됐으며, 물리학에서 가장 정밀한 수치 중 하나다. 가브리엘스는 이제 양전자에 대해 같은 측정을 한 뒤 정면 비교에 나설 계획이다.
이 비교는 전하, 패리티, 시간을 반전했을 때 물질과 반물질이 동일하게 행동해야 한다는 CPT 대칭성을 검증한다. 두 자기모멘트가 다르다면 그 차이는 표준모형을 넘어선 물리학을 가리키며, 우주가 거의 반물질 없이 물질로 이뤄진 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있다.
연구팀은 아직 이런 차이를 발견하지 못했다. 지금으로서 이번 성과는 제어다. 관측할 수 있을 만큼 정지시킨 반입자 하나, 그리고 이전에는 없던 측정 플랫폼이다.