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[IT뉴스]반물질 '양전자' 1개 수개월간 붙잡아…물질·반물질 비대칭 풀 실마리

온카뱅크관리자

2026-10-23 10:37:25

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 반물질은 물질과 질량이 같지만 전자기적 성질이 반대인 물질을 말한다. 반물질은 우주가 탄생할 때 물질과 함께 생성됐을 것으로 추정되지만 현재는 거의 남아 있지 않다는 점이 현대 물리학의 난제로 꼽힌다. 게티이미지뱅크 제공
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 반물질은 물질과 질량이 같지만 전자기적 성질이 반대다. 음전하(-)를 띠는 전자의 반물질인 '양전자(positron)'는 전자와 질량은 같지만 양전하(+)를 띤다. 어떤 물질과 그 물질의 반물질이 만나면 에너지를 내며 쌍소멸한다. 반물질은 우주가 탄생할 때 물질과 함께 생성됐을 것으로 추정되지만 주변에 거의 존재하지 않고 생성되더라도 주변의 물질과 쉽게 상호작용해 사라지기 때문에 제어도 매우 어렵다.
 제럴드 게이브리얼스 미국 노스웨스턴대 물리천문학과 석좌교수 연구팀은 양전자 1개를 극저온 진공 상태에서 수개월간 가둬 정밀하게 제어하는 데 성공하고 연구결과를 21일(현지시간) 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(PRL)'에 발표했다.
 이번 성과가 주목받는 이유는 양전자를 붙잡아 특성을 매우 정밀하게 측정해 전자와의 차이점이 있는지 확인하면 물리학 난제인 우주의 물질-반물질 비대칭 원인을 규명하는 데 기여할 수 있기 때문이다.
 ● 전자-양전자 비교할 실험 기반 구축
 빅뱅으로 우주가 처음 만들어질 때 물질과 반물질은 동일한 양으로 생성됐을 것으로 여겨지지만 현재 관측 가능한 우주에는 물질의 양이 압도적으로 많다. 우주를 구성하는 기본 입자들과 기본 힘들에 대한 이론인 '표준모형'은 현재 물질과 반물질의 비대칭을 충분히 설명하지 못한다. 
 가브리엘스 교수팀은 물질과 반물질에 물리법칙이 동일하게 적용되는지 검증하기 위한 실험 기반을 마련했다. 연구팀은 방사성 동위원소인 나트륨-22가 붕괴하면서 방출하는 고에너지 양전자를 감속한 뒤 전기장과 자기장을 이용해 입자를 공중에 띄워 가두는 '페닝 트랩'에 포획했다.
 이후 실험장치 내부를 영하 272.85℃인 0.3캘빈(K, 절대온도의 단위)까지 냉각하고 초고진공 상태를 유지했다. 양전자가 주변 물질과 충돌하지 않도록 해 양전자 한 개를 수개월 동안 안정적으로 가두는 데 성공했다.
 구현된 장치에는 '단일 양전자 양자 사이클로트론'이라는 이름이 붙었다. 사이클로트론 운동은 전하를 띤 입자가 자기장 속에서 원운동하는 현상이다. 연구팀은 포획된 양전자가 계단처럼 구분되는 에너지 상태를 전이하도록 유도한 뒤 관측하는 데까지 성공했다. 
 궁극적인 목표는 개발된 양전자 보존 기술을 활용해 양전자의 자기적 세기와 방향을 나타내는 물리량인 '자기모멘트'를 극도로 정밀하게 측정하고 전자의 자기모멘트와 비교하는 것이다.
 연구팀은 선행 연구에서 전자 1개를 이용한 양자 사이클로트론 실험으로 전자의 자기모멘트를 약 10조분의 1 수준의 정밀도로 측정한 바 있다. 비슷한 수준의 제어 기술을 양전자에 적용할 수 있는 기반을 마련했다는 평가다.
 이번 연구에서 전자와 양전자의 새로운 특성 차이가 발견된 것은 아니다. 양전자 포획·냉각·양자상태 제어 기술을 구현했다는 점이 핵심이다. 향후 전자와 양전자의 성질에서 기존 이론으로 설명할 수 없는 차이가 발견된다면 표준모형을 넘어서는 새로운 물리법칙의 단서가 될 수 있다.
 ● 노벨상 받은 '중성미자'도 실마리
 물질-반물질 비대칭성을 규명하는 다른 접근 시도도 활발하다. 과학자들은 우주의 기본입자인 중성미자에서 CP 위반을 발견하거나 표준모형으로 설명할 수 없는 특성을 찾는 데 집중하고 있다.
 우주의 물질-반물질 비대칭성을 설명하는 주요 조건 중 하나는 'CP 대칭성 위반(CP violation)'이다. CP 위반은 입자를 반입자로 바꾸고(C) 공간을 거울에 비친 것처럼 뒤집을 때(P) 대칭성이 깨지는 현상을 말한다. CP 위반 자체는 1964년 '케이온'이라는 입자를 통해 처음 실험적으로 증명됐지만 현재 관측되는 우주의 '물질 우세' 현상을 설명하려면 증거가 더 필요하다.
 중성미자는 질량이 매우 작고 전하도 띠지 않아 다른 물질과 상호작용이 거의 없다. 날아가는 중성미자는 세 가지 형태 안에서 계속 변화하는 '진동' 특성이 있다. 중성미자와 반물질인 반중성미자에서 진동 양상을 비교하면 CP 위반을 검증할 수 있다.
 프랜시스 할전 미국 위스콘신-매디슨대 교수는 남극 얼음 아래 거대한 중성미자 관측소인 '아이스큐브(IceCube)'를 제안·건설하는 데 공헌해 올해 노벨 물리학상을 수상하기도 했다. 지난해 8월 가동한 중국의 '주노', 2028년 가동 목표인 일본의 '하이퍼가미오칸데'와 2030년대 가동이 목표인 미국의 '듄' 등 차세대 중성미자 관측소도 본격적으로 중성미자 탐구에 뛰어든다.
 관측된 적 없는 입자의 존재를 가정하는 시도도 이어진다. 리샤브 로샨 영국 사우스햄프턴대 물리천문학부 연구원과 수딥타 쇼 인도 칸푸르공대 물리학과 박사후연구원은 이론으로 제시된 입자인 '무거운 중성미자'가 물질과 반물질의 비대칭을 형성하는 데 중요한 영향을 미쳤을 가능성을 제시하고 연구결과를 지난달 8일 PRL에 발표했다.
 우주 탄생 초기 존재했을 것으로 가정한 무거운 중성미자가 오래 살아남아 우주의 팽창 속도를 바꿔 오늘날 우주의 물질-반물질 비대칭 형성 과정에 영향을 줬을 것이라는 주장이다. 연구진은 향후 우주 초기에 발생한 중력파의 흔적이나 중성미자 진동 관측 등을 통해 이론을 검증할 수 있을 것으로 전망했다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1103/gbkc-6nlj - doi.org/10.1103/nfkx-q6z7
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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