장전에 11시간, 관측은 수개월
미국 노스웨스턴대 물리학자들이 전자의 반물질 짝인 양전자 하나를 트랩에 수개월간 붙잡아 두고 양자 상태를 한 단계씩 제어했다. 연구팀은 이 장치를 "단일 양전자 양자 사이클로트론"이라고 부른다. 연구 결과는 10월 21일 물리학회지 '피지컬 리뷰 레터스'에 실렸다.
입자를 제자리에 두는 일은 느린 작업이다. 트랩이 선원에서 양전자를 붙잡아, 일반 물질과 닿으면 감마선과 함께 소멸해버리는 상황 없이 냉각해야 하므로 장전에 8~11시간이 걸린다. 일단 붙잡히면 양전자는 전기장과 자기장이 결합된 힘에 떠 있는 채 거의 완벽한 진공 속에서 약 0.3켈빈에 머문다.
반물질을 붙잡기 어려운 이유
극저온 페닝 트랩에서 양전자의 운동은 양자화된다. 연구팀은 가장 낮은 사이클로트론 상태와 스핀 상태를 분해하고, 마이크로파로 에너지 준위를 높이고 스핀을 뒤집으면서 미세한 주파수 변화를 관측했다. 제럴드 가브리엘스 박사 연구실의 토머스 마이어스 박사과정생이 제1저자다. 가브리엘스 연구팀은 같은 방식을 단일 전자에 적용해 전자의 자기모멘트를 약 10조분의 1 정밀도로 측정했는데, 이는 입자에 대해 이뤄진 가장 정밀한 측정 중 하나다.
아직 남은 측정
그 비교가 핵심이다. 표준모형은 입자와 그 반물질 짝의 자기모멘트가 크기는 같고 부호는 반대여야 한다고 예측한다. 측정 가능한 차이가 나온다면 CPT라는 대칭성이 깨지는 것으로, 우주에 반물질이 왜 이렇게 적은지 설명하는 단서가 될 수 있다. 새 트랩은 이 시험을 가능하게 했지만 아직 수행하지는 않았다. 독립적인 물리학자들은 이 플랫폼을 완성된 결과가 아니라 강력한 탐침으로 평가한다.
다음 단계는 전자 측정을 양전자로 반복해 두 수치를 나란히 놓는 것이다. 그 정밀도는 표준적 그림을 확인하거나, 그 안에 균열을 낼 것이다.