반물질 입자 하나, 수개월간 포획 성공

반물질은 보통 물질의 거울 쌍둥이다. 질량은 같고 전하는 반대다. 문제는 반물질 입자가 보통 물질의 대응 입자와 만나는 순간 둘 다 에너지의 섬광과 함께 사라진다는 것이다. 이러한 소멸 때문에 반물질은 연구하기 매우 어려운 것으로 유명하다. 만들 수는 있지만, 거의 붙잡아 둘 수가 없다. 이제 미국 노스웨스턴 대학의 연구팀이 거의 불가능하게 들리는 일을 해냈다. 전자의 반물질 버전인 양전자 하나를 수개월 동안 가두어 고립시킨 것이다.

이 연구는 10월 21일 Physical Review Letters에 발표되었다. 연구자들은 양전자를 특별히 설계된 트랩 안에 가두고, 물리적으로 가능한 가장 낮은 온도인 절대 영도에 가까운 양자 상태로 냉각했다. 그 상태에서 입자는 보통 물질과 접촉하지 않았으므로 소멸할 수 없었다. 마이크로초 만에 사라지는 대신, 그것은 수개월 동안 살아남았고, 이는 과학자들이 그 상태를 극도로 정밀하게 제어하고 관찰하기에 충분한 시간이었다.

왜 이것이 중요할까? 우주가 한쪽으로 치우쳐 있기 때문이다. 빅뱅은 물질과 반물질을 같은 양으로 생성했어야 하며, 그것들은 서로를 없애고 빛만 가득한 우주를 남겼을 것이다. 그런데도 우리는 여기 물질로 이루어져 존재한다. 무언가가 균형을 기울였음이 틀림없고, 물리학자들은 그 답이 물질과 반물질 사이의 미세한 차이에 있다고 의심한다. 매우 정밀한 실험만이 드러낼 수 있는 차이다.

오래 살아남고 잘 제어된 양전자는 그 탐색을 위한 이상적인 탐침이다. 노스웨스턴 대학 팀은 포획된 입자가 전자와 양전자 사이의 대칭을 시험하기 위한 가장 엄격한 실험 플랫폼을 제공한다고 말한다. 만약 둘이 완벽한 거울상이 아니라면, 즉 그 성질이 아주 미세하게라도 다르다면, 이런 종류의 실험에서 그것이 드러날 것이다.

이 결과는 또한 정밀 물리학의 광범위한 상승세를 가리킨다. 전 세계의 연구자들이 측정을 새로운 극한으로 밀어붙이고 있다. 원자핵 내부의 에너지 준위로 시간을 재는 핵시계, 그리고 한때 측정 불가능하다고 여겨졌던 희미한 신호를 감지할 수 있는 양자 센서 등이다. 반물질을 수개월 동안 포획하는 것도 같은 흐름에 속한다. 단일 입자를 고립시키고 그것을 아주 아주 주의 깊게 듣는 기술이다.

물리학 실험실과 거리가 먼 독자들에게 실용적 이득은 멀게 느껴질 수 있지만, 정밀 측정의 역사는 그렇지 않음을 보여준다. 단일 입자를 포획하고 냉각하기 위해 개발된 기술은 의료 영상, 재료 과학, 그리고 항법 위성을 동기화하는 시계에 활용되어 왔다. 반물질에 대한 더 나은 이해는 장기적으로 우주의 가장 기본적인 구성 요소에 대한 우리의 생각을 바꿀 수 있다.

지금으로서 헤드라인은 단순하고 기이하다. 우리 세계와 접촉하면 스스로를 파괴하는 물질인 반물질의 한 조각이 실험실에서 수개월 동안 살아 유지된 것이다. 그것은 작은 트랩 속의 작은 입자이며, 무언가가 왜 존재하는지를 이해하려는 인류의 오랜 노력에서의 큰 걸음이다.