반물질 반양성자 92개, 트럭으로 육상 운반 후 한 달 이상 보관 — 세계 최초

실험 배경: 왜 반양성자를 밖으로 꺼내야 하는가

물질-반물질 비대칭 문제는 현대 물리학의 핵심 미해결 과제 중 하나다. 양성자와 반양성자의 질량·자기모멘트를 극도로 정밀하게 비교하면 빅뱅 직후 물질이 반물질보다 미세하게 많이 생성된 이유에 대한 단서를 얻을 수 있다. Heinrich Heine University Düsseldorf(HHU)가 주도하는 BASE(Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) 공동연구팀은 현재 양성자의 고유 자기모멘트를 0.3 ppb, 반양성자를 1.6 ppb 정밀도로 측정하는 수준에 도달해 있다. 그러나 CERN 내 반물질 공장(AMF)은 시설 가동에 따른 자기장 요동이 측정 장비에 영향을 주어 더 이상의 정밀도 향상이 사실상 불가능한 상황이다.

BASE-STEP: 이동식 개방형 트랩의 설계와 성과

연구팀이 개발한 BASE-STEP은 반양성자를 외부에서 주입하고 다시 추출할 수 있는 개방형 초고진공 페닝 트랩이다. 2024년 10월 양성자 운반 실험에 성공한 뒤, 2026년 3월에는 동일한 장치로 반양성자 운반에도 성공했다. AMF에서 추출한 92개의 반양성자를 트랩에 보관한 채 트럭에 싣고 CERN 부지를 약 30분 동안 이동했으며, 하역 후에도 입자 손실은 없었다. 이후 27일째 입자 추출 시험 중 반양성자 1개가 소멸했을 뿐, 나머지는 총 한 달 이상 안정적으로 유지됐다.

핵심 기술: 초고진공의 달성

장기 보관에서 가장 큰 장애물은 진공 유지다. 반양성자가 잔류 기체 분자와 충돌하면 즉시 소멸하기 때문이다. 이번 실험에서 팀은 저장 기간 내내 2.2 × 10⁻¹⁸ mbar 이하의 진공도를 유지했다. 이는 설계 목표치인 1 × 10⁻¹⁶ mbar를 크게 상회하는 수준으로, 외부 주입·추출이 가능한 개방형 트랩 시스템으로는 세계 최초 기록이다.

다음 단계: 제네바에서 뒤셀도르프까지

이번 실험은 HHU 캠퍼스 내 고정밀 실험실로의 본격 이송을 위한 예비 검증 성격을 띤다. 해당 실험실은 현재 구축 중이며, 목표는 CERN에서 달성할 수 없었던 100배 이상의 측정 정밀도 향상이다. 제네바에서 뒤셀도르프까지의 약 10시간 이동을 위해 트랩의 자율 운영 능력을 높이는 것이 당면 과제다. 성공할 경우 CERN이 세계 유일의 저에너지 반양성자 생산 시설임에도 불구하고, 측정 자체는 외부 환경이 더 좋은 곳에서 진행하는 분산형 반물질 연구 모델이 가능해진다.

의의와 한계

이번 성과는 반물질 연구의 지리적 범위를 CERN 외부로 확장한다는 점에서 개념 증명으로서의 가치가 크다. 그러나 현재까지 보관된 반양성자 수는 92개에 불과하고, 10시간 이상의 장거리 이송은 아직 시연되지 않았다. 실제 비교 측정 실험이 이루어지기까지는 추가적인 기술 개발과 시간이 필요하다.