Northwestern대, 반물질 양전자 1개 0.3K로 냉각해 수개월 포획…표준모형 대칭성 검증 착수

반물질 포획의 핵심 난제

양전자는 전자의 반물질 짝으로, 보통 물질과 조금이라도 접촉하면 쌍소멸이 일어나 두 입자 모두 에너지로 변환된다. 물리적 용기에 단순히 담는 것 자체가 불가능한 이유다. 노스웨스턴대 제럴드 가브리엘스(Gerald Gabrielse) 교수 팀은 전기장과 자기장을 정밀하게 조합한 트랩을 이용해 양전자를 진공 공간에 부유시켰다. 이 방식으로 입자는 어떤 고체 표면과도 접촉하지 않은 채 수개월간 안정적으로 유지됐다.

양전자 공급원으로는 나트륨-22 방사성 동위원소를 활용했다. 핵 붕괴 시 방출되는 양전자는 초기 에너지가 매우 높기 때문에, 연구팀은 이를 단계적으로 감속시킨 뒤 트랩으로 유도했다. 트랩 내부 온도는 약 300밀리켈빈(0.3 K)까지 낮추어졌다.

단일 양전자 양자 사이클로트론

이처럼 포획·냉각된 양전자는 마치 인공 원자처럼 거동한다. 에너지가 가장 낮은 양자 기저상태(quantum ground state)에 놓인 양전자에 정밀하게 조율된 마이크로파를 입사하면, 개별 양자 에너지 전이를 유도하고 검출할 수 있다. 연구팀은 이 계를 '단일 양전자 양자 사이클로트론(one-positron quantum cyclotron)'으로 명명했다.

박사과정생 토머스 마이어스(Thomas Myers)가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 가브리엘스 팀이 수십 년에 걸쳐 전자로 구축한 단일 입자 양자 제어 기술을 반물질에 처음으로 적용했다는 점에서 기술적 의의가 크다. 연구 결과는 Physical Review Letters에 게재됐다.

자기모멘트 측정과 표준모형 검증

연구의 최종 목표는 양전자의 자기모멘트(magnetic moment)를 극도로 높은 정밀도로 측정하고, 전자 측정값과 직접 비교하는 것이다. 가브리엘스 팀은 이전 연구에서 단일 전자 양자 사이클로트론을 사용해 전자의 자기모멘트를 10조분의 1(1 part in 10 trillion) 수준의 정밀도로 측정한 바 있으며, 이는 기초 입자 측정 역사상 손꼽히는 정밀도다.

입자물리학의 표준모형(Standard Model)은 전자와 양전자가 거의 완벽한 거울상이어야 한다고 예측한다. 두 측정값이 일치하면 해당 영역에서 표준모형의 유효성이 재확인되고, 미세한 불일치가 발생하면 표준모형의 균열을 직접 포착하는 셈이 된다.

우주 물질-반물질 비대칭의 수수께끼

빅뱅 이론에 따르면 우주 탄생 직후 물질과 반물질이 동등한 양으로 생성됐어야 한다. 그러나 현재 관측 가능한 우주는 압도적으로 물질로 구성되어 있다. 표준모형은 이 비대칭성을 설명하지 못한다. 전자와 양전자의 자기모멘트 측정이 정밀도 한계 수준에서 차이를 보인다면, 이 오랜 수수께끼의 원인을 탐색하는 데 결정적인 실마리를 제공할 수 있다. 현재로서는 두 값이 같을 것이라는 예측이 지배적이지만, 연구팀은 그 동등성이 깨지는 경우를 찾고 있다.