진공 덫에 갇힌 양전자, 우주 탄생의 비밀 푼다

기사 소리로 듣기

다시듣기

글씨 크기 조절
글자크기 설정

닫기

글자크기 설정 시 다른 기사의 본문도 동일하게 적용 됩니다.
- 가
- 가
- 가
- 가
- 가
공유하기
공유

닫기
https://m.seoul.co.kr/news/society/science-news/2026/10/22/20261022016001
URL 복사
댓글
0

유용하 기자

수정 2026-10-22 00:41

입력 2026-10-22 00:41

구글에서 서울신문 먼저 보기

美 연구팀 ‘반물질’ 단일 양전자 양자 사이클로트론 구현 첫 성공

물질 소멸시키는 ‘쌍둥이 입자’
빅뱅 당시 작용 없어 수수께끼

절대 영도 가까운 트랩서 실험
양전자, 에너지 계단 오르내려
자성 측정해 대칭성 정밀 검증
“자기모멘트 다를 가능성 존재”

1932년 미국 물리학자 칼 앤더슨이 안개상자로 처음 포착한 양전자의 궤적. 가운데 가로로 놓인 납판을 지나며 에너지를 잃은 양전자가 더 크게 휘어진다. 반물질의 존재를 처음 실험으로 확인한 사진이다. 퍼블릭 도메인 제공 — 1932년 미국 물리학자 칼 앤더슨이 안개상자로 처음 포착한 양전자의 궤적. 가운데 가로로 놓인 납판을 지나며 에너지를 잃은 양전자가 더 크게 휘어진다. 반물질의 존재를 처음 실험으로 확인한 사진이다.
퍼블릭 도메인 제공

영화로도 만들어진 댄 브라운의 소설 ‘천사와 악마’에서는 비밀 결사 조직 일루미나티가 유럽입자물리연구소(CERN)에서 훔쳐낸 ‘반물질’을 폭탄 삼아 바티칸을 파괴하려 한다는 내용이 나온다. ‘스타트렉’에서는 우주선의 동력으로 반물질을 사용하기도 한다. 이처럼 반(反)물질(antimatter)은 SF의 단골 소재로 등장한다.

반물질은 물질과 질량은 같지만 전하가 반대인 ‘거울 쌍둥이’ 입자로 물질과 만나면 질량에 상응하는 에너지를 내고 사라지는 ‘쌍소멸’이 일어난다. 높은 에너지에서 입자가 생겨날 때 물질과 반물질이 쌍으로 만들어지는 것처럼 빅뱅 때도 둘이 똑같이 만들어졌다면 모두 소멸해 우주에는 아무것도 남지 않아야 한다. 그렇지만 실제 우주는 물질로 가득하다. 이는 현대 물리학 기본 이론인 표준모형이 아직 풀지 못한 대표적인 수수께끼다.

이런 가운데 미국 노스웨스턴대 기초물리학센터 연구팀은 전자의 반물질 짝인 양전자 1개를 진공 속에 띄우고 양자 상태를 마음대로 다루는 ‘단일 양전자 양자 사이클로트론’을 구현하는 데 처음 성공했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 10월 22일 자에 실렸다.

양전자는 어떤 용기에 담더라도 벽에 닿는 순간 사라진다. 연구팀은 전기장과 자기장으로 입자를 빈 공간 한가운데 띄우는 ‘페닝 트랩’을 이용했다. 양전자는 방사성 나트륨-22가 붕괴할 때 빛에 가까운 속도로 튀어나온다. 연구팀은 이 양전자를 텅스텐 결정에 통과시켜 속도를 늦춘 뒤 트랩에 가뒀다. 최대 54만 6000전자볼트(eV)였던 운동에너지를 약 210억분의 1로 줄인 양전자 하나를 트랩에 넣는 데는 11시간가량이 걸렸다.

연구팀은 트랩을 절대영도(0K, 영하 273.15도)보다 0.3도 높은 300mK(밀리켈빈, 영하 272.85도)까지 냉각했다.

차가운 트랩 벽은 트랩 속에 남은 기체 분자까지 달라붙게 해 내부를 완벽에 가까운 진공으로 만든다. 이 트랩에서 양전자는 에너지가 가장 낮은 ‘바닥 상태’에 머물렀고, 진공 덕분에 오래 붙잡아 둘 수 있었다. 이렇게 갇힌 양전자는 원자 속 전자처럼 띄엄띄엄한 에너지 계단을 오르내리는 인공 원자가 됐다. 연구팀은 156기가헤르츠(㎓)의 마이크로파를 쏴 양전자를 한 계단씩 들어 올리고 그 상태를 망가뜨리지 않은 채 변화를 읽어냈다. 또 트랩을 마이크로파 공진기처럼 설계해 원래 0.08초면 끝날 들뜬 상태를 약 4초까지 붙잡아 뒀다.

연구팀의 최종 목표는 양전자가 얼마나 강한 자석인지를 나타내는 ‘자기모멘트’를 정밀하게 측정하는 것이다. 표준모형에 따르면 전자와 양전자의 자기모멘트는 크기가 정확하게 같아야 한다. 연구팀은 양전자 자기모멘트를 전자만큼 정밀하게 재면 물질과 반물질의 대칭성을 기존보다 30배 이상 정밀하게 검증할 수 있을 것으로 전망했다.

연구를 이끈 제럴드 가브리엘스 교수는 “현재 이론은 전자와 양전자의 자기모멘트에 차이가 없을 것으로 보는데, 만약 다르다면 지난 100년 물리학에서 가장 큰 발견이 될 것”이라고 말했다. 이번 연구는 거대한 입자가속기 대신 작은 실험 장치로 우주 탄생의 근본 질문에 다가갈 수 있다는 점에서도 의미가 크다.

유용하 과학전문기자

세줄 요약