노스웨스턴대, 양전자 하나를 수개월간 가둬 두는 데 성공

미국 노스웨스턴대 연구진이 전자의 반입자인 양전자 한 개를 수개월 동안 가둬 두는 데 성공했습니다. 이 성과는 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 실렸습니다.

반물질은 일반 물질과 닿는 순간 함께 소멸하며 에너지를 방출하기 때문에, 격리해 보관하는 일 자체가 현대 과학의 큰 기술적 난제로 꼽힙니다. 연구진은 이번에 '단일 양전자 양자 사이클로트론'을 직접 제작했습니다.

양전자를 붙잡는 방법

양전자는 방사성 나트륨-22 선원에서 만들어집니다. 연구를 위해서는 절대영도보다 조금 높은 300밀리켈빈까지 냉각해야 하며, 에너지를 10자릿수 넘게 줄여야 합니다.

이후 양전자를 잠시 전자와 결합시켜 전기적으로 중성인 양전자소(포지트로늄)를 만듭니다. 전하가 없으므로 지름 625마이크로미터의 작은 구멍을 통과해 트랩으로 들어갈 수 있고, 그곳의 강한 전기장이 원자를 이온화해 양전자만 완전히 갇히게 됩니다. 양전자 한 개를 채우는 데는 8~11시간이 걸리지만, 성공하면 수개월간 유지할 수 있습니다.

물질-반물질 대칭성 검증이 목표

표준모형에 따르면 빅뱅 때 물질과 반물질이 같은 양만큼 생겼어야 하지만, 오늘날 우주는 물질로 이뤄져 있습니다. 어딘가에서 대칭이 깨졌다는 뜻입니다. 전자와 양전자는 질량과 자기 모멘트(g 인자)가 같고 부호만 반대여야 합니다. 연구를 이끈 Gerald Gabrielse는 "둘이 같지 않다면 지난 한 세기 물리학 최대의 발견이 될 것"이라고 말했습니다.

이 팀은 2023년 전자의 g 인자를 0.13 parts per trillion의 정밀도로 측정했습니다. 반면 전자와 양전자를 비교한 현재 기록은 1987년의 것으로, 2.1 parts per trillion 정밀도로 둘이 같다고 확인됐습니다. 연구진은 새 장치로 양전자 자기 모멘트 측정 정밀도를 약 30배 높일 수 있다고 계산합니다.

다만 지금까지 입증된 것은 장치가 작동한다는 점이며, 고정밀 측정값은 아직 나오지 않았습니다.