CERN의 획기적인 실험은 초기 우주에서 반물질이 사라진 것처럼 보이는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 반물질을 떨어뜨리면 아래로 떨어질까요, 올라갈까요? 독특한 실험실 실험에서 연구자들은 이제 단일 반수소 원자의 하향 궤적을 관찰하여 명확한 답을 제공했습니다.반물질은 아래로 떨어진다.

이 이미지는 반물질에 대한 중력의 영향을 측정하기 위해 설계된 CERN의 ALPHA-g 실험의 일부인 자기 트랩 내부에서 반수소 원자가 떨어지고 소멸되는 것을 보여줍니다. 이미지 출처: 국립과학재단

이 발견은 반물질과 일반 물질의 중력 인력을 확인하는 동시에, 관측 가능한 우주에 반물질이 거의 없는 이유인 중력 반발도 배제합니다.

스위스 CERN 산하 국제 반수소 레이저 물리학 시설(ALPHA) 연구진은 오늘 네이처(Nature) 저널에 연구 결과를 발표했습니다.

국립과학재단 물리학부 프로그램 디렉터인 Vyacheslav "Slava" Lukin은 "ALPHA 협력의 성공은 대륙과 과학 공동체 전반에 걸친 팀워크의 중요성을 보여줍니다."라고 말했습니다. "반물질의 특성을 이해하면 우주가 어떻게 형성되었는지 이해하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 반물질에 대한 지식을 적용하여 신체의 암 종양을 감지함으로써 많은 생명을 구하는 양전자 방출 단층촬영(PET)과 같은 전례 없는 혁신을 가능하게 합니다."

반수소 레이저 물리학 시설(ALPHA) 협력은 반수소 원자를 사용하여 물질과 반물질 사이의 근본적인 대칭성을 이해하기 위해 CERN의 국제 그룹입니다. 연구자들이 중력이 반물질에 미치는 영향을 이해하기 위한 실험의 획기적인 결과를 발표했습니다. 이미지 출처: 국립과학재단

파악하기 어려운 변이 가능한 물질의 쌍둥이

스타트렉에서 상상된 반물질 워프 드라이브와 광자 어뢰를 제외하면 반물질은 완전히 현실적이지만 신비할 정도로 희귀합니다.

"아인슈타인의 일반 상대성 이론은 반물질이 물질과 똑같이 행동해야 한다고 명시하고 있습니다"라고 버클리 캘리포니아 대학의 플라즈마 물리학자이자 ALPHA 협력 회원인 조나단 워텔(Jonathan Wurtele)은 말했습니다. "많은 간접 측정을 통해 예상대로 중력이 반물질과 상호 작용하는 것으로 나타났습니다." "그러나 오늘 결과가 나올 때까지 반수소가 중력장에서 아래가 아닌 위로 움직일 가능성을 배제하기 위해 실제로 직접 관찰을 한 사람은 아무도 없었습니다."

우리 몸, 지구, 그리고 과학자들이 알고 있는 우주의 대부분의 모든 것은 산소 원자, 탄소, 철 및 주기율표의 기타 원소와 같이 양성자, 중성자 및 전자로 구성된 규칙적인 물질로 압도적으로 구성되어 있습니다.

반면에 반물질은 비록 반대되는 특성을 갖고 있지만 일반 물질의 쌍둥이 형제입니다. 예를 들어, 반양성자는 음전하를 띠고 양성자는 양전하를 띤다. 반전자(양전자라고도 함)는 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띕니다.

Kevin M. Jones는 국립과학재단 물리학과의 프로젝트 관리자이자 Williams College의 물리학 명예교수인 William Edward McElfresh입니다. 그는 반물질이 무엇인지, 그리고 반물질 연구의 전반적인 가치에 대해 간략하게 소개했습니다. 출처: 국립과학재단

그러나 실험자들에게 가장 어려운 점은 "반물질은 물질과 접촉하자마자 폭발한다"고 버클리 캘리포니아 대학의 플라즈마 물리학자이자 ALPHA 협력 회원인 조엘 파잔스(Joel Fajans)는 말했습니다.

물질과 반물질의 결합된 질량은 과학자들이 이를 소멸이라고 부를 정도로 강렬한 반응을 통해 완전히 에너지로 변환됩니다.

특정 질량에 대해 이러한 소멸은 우리에게 알려진 가장 강력한 에너지 방출 형태입니다. 그러나 ALPHA 실험에 사용된 반물질의 양은 너무 작아서 민감한 탐지기만이 반물질/물질 소멸로 인해 발생하는 에너지를 감지할 수 있습니다. 그래서 우리는 반물질을 매우 조심스럽게 조작해야 합니다. 그렇지 않으면 반물질을 잃게 됩니다.

ALPHA-g 장치의 자기 트랩에 있는 반수소 원자의 개념적 이미지. 트랩 상단과 하단의 자기장의 세기가 약해지면 반수소 원자가 빠져나와 트랩 벽에 접촉하여 소멸됩니다. 대부분의 소멸은 챔버 아래에서 발생하며, 이는 중력이 반수소 원자를 아래쪽으로 끌어당기고 있음을 시사합니다. 애니메이션에서 회전하는 자기장 선은 반수소 원자에 대한 자기장의 보이지 않는 영향을 나타냅니다. 실제 실험에서는 자기장이 회전하지 않습니다. 출처: Keyi "Onyx" Li/국립과학재단

'반물질 폭탄' 투척"

보텔은 "대체로 우리는 반물질을 만들고 있으며 피사의 사탑과 같은 실험을 하고 있다"고 말했다. 그는 그들의 실험의 더 단순한 지적 조상을 언급하고 있었습니다. 즉 크기는 비슷하지만 질량이 다른 두 물체가 동시에 낙하한 두 물체가 동일한 중력 가속도를 갖는다는 것을 입증한 갈릴레오의 16세기 실험(아마 우화적으로)을 언급한 것입니다. "우리는 반물질을 움직이게 하고 그것이 올라가는지 내려가는지 확인합니다."

ALPHA 실험에서 반수소 가스는 ALPHA-g라고 불리는 가변 자기 트랩이 있는 높은 원통형 진공 챔버에 담겨 있습니다. 과학자들은 반수소 원자가 탈출할 수 있고 상대적으로 약한 중력 효과가 명백해질 때까지 트랩의 상단과 하단에서 자기장의 강도를 줄였습니다.

각각의 항수소 원자가 자기 트랩을 빠져나오면서 트랩 위나 아래의 공동 벽에 부딪혀 소멸되어 과학자들이 이를 감지하고 계산할 수 있습니다.

연구진은 가능한 오류를 제거하기 위해 트랩 상단과 하단의 자기장 강도를 변경하면서 실험을 12회 반복했습니다. 그들은 약해진 자기장이 상단과 하단에서 정확하게 균형을 이루었을 때 트랩 아래에서 반수소 원자의 약 80%가 소멸되는 것을 관찰했습니다. 이는 동일한 조건에서 일반적인 수소 구름이 어떻게 행동하는지와 일치하는 결과입니다.

따라서 중력으로 인해 반수소 원자가 아래로 떨어지게 됩니다.

물질/반물질 미스터리

칼륨이 붕괴할 때 방출되는 양전자나 심지어 바나나의 반물질과 같이 반물질의 발생원은 많지 않지만 과학자들은 우주에서 반물질을 많이 발견하지 못합니다. 그러나 물리학 법칙에 따르면 반물질은 일반 물질과 거의 같은 양으로 존재해야 합니다. 과학자들은 이 수수께끼를 재생 문제라고 부릅니다.

한 가지 가능한 설명은 빅뱅 동안 반물질이 일반 물질에 의해 중력에 의해 반발되었다는 것입니다. 그러나 새로운 발견은 이 이론이 더 이상 신뢰할 수 없는 것처럼 보인다는 것을 시사합니다.

"우리는 반물질이 끌어당기기보다는 중력에 의해 반발될 가능성을 배제했습니다"라고 Votel은 말했습니다. "이것은 반물질이 경험하는 중력에 차이가 없다는 의미는 아닙니다."라고 그는 덧붙였습니다. 보다 정확한 측정만이 이를 증명할 수 있습니다.

ALPHA 협력 연구원들은 계속해서 항수소의 특성을 탐구할 것입니다. 중력 효과 측정을 개선하는 것 외에도 그들은 분광학을 사용하여 반수소가 전자기 방사선과 어떻게 상호 작용하는지 연구하고 있습니다.

반수소가 어떤 면에서 수소와 다르다면 그것은 혁명적일 것입니다. 왜냐하면 양자 역학과 중력의 물리적 법칙은 모두 반수소가 같은 방식으로 행동해야 한다고 말하고 있기 때문입니다. 그러나 실험을 해봐야 알 수 있습니다.