요약:
노스웨스턴 대학의 물리학자들로 구성된 팀은 최근 입자 물리학 실험 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 처음으로 전자의 반물질 대응물인 양전자가 정확한 양자 상태로 유도되고 안정적으로 제어되는 데 성공했으며, 절대 영도에 가까운 극한 진공 환경에 몇 달 동안 매달린 채 갇혀 있었습니다. 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재된 이번 연구 결과는 세계 최초의 '단일 양전자 양자 사이클로트론'을 구축해 인류가 우주 속 물질의 정체 신비를 탐구할 수 있는 새로운 실험의 길을 열었다.
현대 물리학에서 표준 모델은 기본 입자와 네 가지 기본 상호 작용 힘 중 세 가지를 극도로 높은 정밀도로 설명하지만 핵심 퍼즐에 답할 수는 없습니다. 이론적 추론에 따르면 빅뱅은 물질과 반물질의 양이 동일해야 한다는 것입니다. 두 사람이 만나면 즉시 소멸되어 무(無)로 전락한다. 그러나 실제로 관측 가능한 우주는 거의 전부가 양성 물질로 구성되어 있어 별, 행성, 심지어 인간까지 살아남을 수 있다. 연구 책임자인 Gerald Gabrielse는 이는 기존 표준 모델에 여전히 주요 결함이나 불완전성이 있음을 보여준다고 말했습니다. 과학 연구팀은 가장 기본적인 입자 시스템에 대한 초정밀 조사를 통해 기존 이론의 돌파구를 찾고자 합니다.
반물질은 기존 물질 용기의 벽에 닿으면 즉시 소멸되기 때문에 장기간 보존하기가 극히 어렵습니다. 연구팀은 먼저 희귀 동위원소인 나트륨-22의 방사성 붕괴로부터 고에너지 양전자를 얻은 뒤 이를 크게 감속시켜 특별히 설계된 전자기 트랩에 도입했다. 그들은 특별한 전기장과 자기장을 사용하여 거의 완벽한 진공 환경에 매달아 격리하여 외부 세계의 일반 물질과의 접촉으로부터 완전히 격리했습니다. 동시에 과학자들은 트랩 내부에 절대온도 0.3도에 불과한 약 300밀리켈빈의 초저온 환경을 유지했고, 고속으로 움직이는 양전자를 가장 낮은 양자 바닥 상태까지 냉각하는 데 성공해 인공 원자처럼 순종적으로 정지하게 만들고 명확한 양자 에너지 수준을 보여줬다. 이를 바탕으로 팀은 미세하게 조정된 마이크로파를 사용하여 소량의 에너지를 주입하여 서로 다른 양자 상태 사이의 양전자의 전이를 정확하게 유발하고 관찰했습니다.
이전에 Gabriels 팀은 '단일 전자 양자 사이클로트론'을 사용하여 전자의 자기 모멘트(입자와 자기장 사이의 상호 작용 강도를 측정하는 물리량)를 10조분의 1이라는 놀라운 정확도로 측정했습니다. 동일한 수준의 양자 조작 기술을 단일 반물질 입자로 성공적으로 확장한 후, 팀의 다음 목표는 양전자의 자기 모멘트를 동일한 정확도로 측정하는 것입니다. 현재 물리학 이론 예측에 따르면, 전자와 양전자의 자기 모멘트는 크기가 정확히 같고 방향이 반대여야 합니다. 가브리엘스는 후속 정밀 비교에서 둘 사이의 자기 모멘트 값에 극히 작은 차이라도 발견된다면 표준 모델의 기반이 직접적으로 흔들릴 것이라고 지적했다. 이는 우주의 물질과 반물질의 불균형에 대한 심오한 메커니즘을 밝힐 뿐만 아니라 지난 세기 물리학계에서 가장 중요한 과학적 발견이 될 것으로 기대된다.
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