반물질은 거의 한 세기 동안 물리학자들에게 흥미를 유발하고 당혹감을 안겨 주었으며, 반물질에 대한 중력의 영향은 의견 차이를 가져왔습니다. 새로운 연구에서는 반수소 원자(수소의 반물질 대응물)가 물질 대응물과 동일한 방식으로 중력의 영향을 받고 반발적인 "반중력"의 가능성을 배제함으로써 이 논쟁을 해결할 수 있습니다.


17세기 아이작 뉴턴은 사과가 나무에서 떨어지는 것을 보고 중력 이론을 생각해 냈습니다. 몇 세기 후, 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 중력에 대한 가장 성공적이고 검증 가능한 설명으로 남아 있는 일반 상대성 이론을 제안했습니다. 그러나 아인슈타인은 반물질을 몰랐습니다.

1928년 영국의 물리학자 폴 디랙(Paul Dirac)은 모든 입자에는 상응하는 반입자가 있다는 이론을 제안하고 양전자(또는 반전자)의 존재를 예측했습니다. 그 이후로 중력과 반물질 사이의 상호 작용에 대해 많은 추측이 있었습니다. 일부에서는 반물질이 중력에 의해 반발된다는 주장도 있고 다른 일부에서는 중력에 의해 끌어당겨진다는 주장도 있었습니다.

CERN의 반수소 레이저 물리학 시설(ALPHA) 공동 연구에서 나온 새로운 연구는 반수소 원자(수소의 반물질 대응물)가 물질 대응물과 동일한 방식으로 지구로 떨어진다는 사실을 발견하여 이 논쟁을 해결했을 수 있습니다.

이번 연구의 교신저자인 제프리 행스트(Jeffrey Hangst)는 "물리학에서는 관찰을 통해서만 무언가를 진정으로 이해할 수 있다. 이것은 반물질의 움직임에 대한 중력의 영향을 직접적으로 관찰한 최초의 실험이다. 이것은 반물질 연구에서 획기적인 사건이며, 반물질은 우주에 명백히 존재하지 않기 때문에 여전히 우리를 미스터리하게 만든다"고 말했다.

ALPHA 실험에는 트랩에 반수소 원자를 생성, 트랩 및 연구하는 작업이 포함됩니다. 반수소 원자는 전기적으로 중성이고 안정적인 반물질 입자로, 반물질의 중력 거동을 연구하는 데 이상적입니다. 항수소는 두 개의 반입자인 반양성자와 양전자로 구성됩니다. 반양성자는 양성자와 질량은 같지만 음전하를 띠는 아원자 입자입니다.

ALPHA 팀은 최근 ALPHA-g라는 수직 장비를 제작했습니다. 여기서 "g"는 국지적인 중력 가속도를 나타내며, 물질의 경우 초당 32.2피트(초당 9.81미터)입니다. ALPHA-g는 반수소 원자가 해당 물질과 만날 때(소멸이라고 알려진 과정) 수직 위치를 측정할 수 있으며 트랩의 자기장이 꺼지면 원자가 탈출합니다.

연구진은 한 번에 약 100개의 반수소 원자 그룹을 포착했습니다. 그런 다음 상단과 하단 트랩 자석의 전류를 점차적으로 줄여 20초에 걸쳐 천천히 원자를 방출했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션에서는 원자의 20%가 트랩 상단에서 방출되고 80%가 하단에서 방출될 것으로 예측했는데, 이는 중력의 하향 효과로 인한 차이입니다. 연구진은 7번의 방출 실험 결과를 평균화하고 위에서 아래로 흐르는 반원자의 비율이 시뮬레이션과 일치한다는 사실을 발견했습니다. 즉, 반수소 원자는 수소 원자가 1g(즉, 정상 중력) 아래로 떨어지는 것과 같은 방식으로 떨어집니다.

연구자들은 ALPHA-g 장비를 사용하여 갈릴레오의 유명한 중력 실험을 효과적으로 재현했습니다. 전설에 따르면, 이탈리아 과학자는 피사의 사탑 꼭대기에서 서로 다른 무게의 철구를 떨어뜨렸고 동시에 땅에 떨어졌습니다. 이는 중력이 서로 다른 질량의 물체를 동일한 가속도로 낙하시킨다는 것을 입증했습니다.

연구자들은 그들의 발견이 반발적인 "반중력"의 가능성을 배제했다고 말하지만, 현재의 연구는 반물질의 중력 특성에 대한 상세하고 직접적인 연구의 시작에 불과합니다.

Hangst는 "이 반원자를 만드는 방법, 잡는 방법, 실제로 중력에 민감하게 만드는 방식으로 떨어뜨릴 수 있을 만큼 잘 제어하는 ​​방법을 배우는 데 30년이 걸렸습니다."라고 말했습니다. "다음 단계는 가속도를 최대한 정확하게 측정하는 것입니다. 우리는 물질과 반물질이 실제로 같은 방식으로 떨어지는지 테스트하고 싶습니다."

이번 연구는 네이처 저널에 게재됐다. CERN이 제작한 다음 영상에서 Jeffrey Hangst는 ALPHA-g의 작동 원리와 반물질 중력 실험의 원인 및 결과를 설명합니다.