CPT 대칭성 검증을 위해 양자 사이클로트론에 단일 양전자 가둬

노스웨스턴대학교 물리학자들이 전자의 반물질 쌍둥이인 양전자 하나를 "양자 사이클로트론"에 붙잡아, 입자물리학 표준모형의 핵심 예측을 검증할 새로운 방법을 열었다. 제럴드 가브리엘스(Gerald Gabrielse)가 이끈 이 연구는 10월 21일 Physical Review Letters에 온라인으로 게재됐다.

양전자는 전자와 질량이 같지만 전하는 크기가 같고 부호가 반대이다. 전자처럼 양전자도 작은 막대자석처럼 행동하며, 표준모형에 따르면 그 자석의 세기인 자기 모멘트는 전자의 자기 모멘트와 정확히 크기가 같고 방향이 반대여야 한다.

양전자를 전자와 비교하는 이유

이 예측은 CPT 대칭성에서 비롯된다. 모든 입자를 반입자로 바꾸고(C), 우주를 거울상으로 뒤집고(P), 시간을 거꾸로 흐르게(T) 하는 것을 한꺼번에 해도 물리 법칙은 변하지 않는다는 것이다. 가장 민감한 시험 중 하나는 양전자의 자기 모멘트를 전자의 자기 모멘트와 비교하는 것이다. 어떤 차이든 표준모형을 넘어서는 새로운 물리학의 단서가 된다.

전자 측정은 약 10조분의 1의 정확도에 이르렀지만, 가장 좋은 양전자 비교는 정밀도가 몇 자릿수 낮다. 가장 큰 걸림돌은 훨씬 더 정밀한 측정이 가능할 만큼 고립되고 차가운 환경에 양전자를 넣는 것이다.

양전자를 붙잡은 방법

연구팀은 양전자를 극도로 빠른 속도로 방출하는 방사성 나트륨 선원에서 양전자를 얻어 크게 감속시켰다. 양전자 하나를 가두기 위해 먼저 전자와 짝을 이루게 해 전기적으로 중성인 원자인 양전자소(포지트로늄)를 만들었다. 이 양전자소가 트랩 안에서 분리되면서 양전자만 남았다.

이후 반입자는 펜닝 트랩에 보관되었다. 펜닝 트랩은 전기장과 자기장을 이용해 입자를 제자리에서 계속 돌게 하며, 입자 가속기에 쓰이는 사이클로트론의 소형 버전과 비슷하다. 트랩은 절대영도보다 불과 몇 분의 1도 높은 온도까지 냉각되어, 양전자가 에너지가 가장 낮은 원운동 상태에 자리 잡을 수 있었다.

운동과 스핀 읽어내기

양전자의 에너지가 뚜렷하게 구분되는 단계로 나뉘어 있기 때문에, 연구자들은 마이크로파를 이용해 양전자를 한 단계씩 위아래로 움직이고 자기와 관련된 성질인 스핀의 뒤집힘을 추적할 수 있었다. 이러한 상태는 트랩 안에서 양전자가 앞뒤로 흔들리는 움직임의 미세한 변화를 관찰해 읽어내며, 이렇게 하면 운동과 스핀 어느 쪽도 교란하지 않고 둘 다 검출할 수 있다.

보고서에 따르면 일단 붙잡은 양전자는 몇 달 동안 보관할 수 있다. 이는 기존 전자 측정에 필적하는 정확도로 양전자의 자기 모멘트를 측정할 수 있는 향후 실험의 길을 열어준다. 이번 연구에서 자기 모멘트 자체를 측정한 것은 아니며, 논문은 포획과 양자 사이클로트론 방법을 입증한다.

이 연구는 akm.news의 과학 보도의 일부이다.