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- 우주에서 물질이 반물질보다 우세한 이유는 물리학에서 가장 큰 미스터리 중 하나
- 반물질로 만들어진 최초의 큐비트
- 물질과 반물질의 차이를 규명하는 데 중요한 돌파구
- 기본적인 자연 상수의 검증에도 중요한 역할

최초의 반물질 양자 비트
물리학자들, 단일 반양성자의 스핀 상태를 최초로 조작하고 측정해 최초의 반물질 양자비트(Qbit)를 만들어냈다.

반물질 돌파구:
물리학자들이 최초로 단일 반양성자의 스핀을 조작하고 측정하여 최초의 반물질 양자비트를 만들어냈다. 이 반물질 입자는 특수 트랩에 고정돼 제어되었다. 연구팀이 "네이처"에 발표한 바와 같이, 이는 물질과 반물질의 차이를 규명하는 데 중요한 돌파구일 뿐만 아니라, 기본적인 자연 상수의 검증에도 중요한 역할을 한다. 

▲ 물리학자들은 처음으로 단일 반양성자의 스핀을 의도적으로 조작하고 측정하여 최초의 반물질 큐비트를 만들었다. © koto_feja

이 반물질 입자는 특수한 트랩에 매달려 제어됐다. 연구팀이 "네이처"에 보고했듯이, 이는 물질과 반물질의 차이를 규명하는 데 중요한 돌파구일 뿐만 아니라 근본적인 자연상수의 검증에도 중요한 역할을 한다.

우리 우주에서 물질이 반물질보다 우세한 이유는 물리학에서 가장 큰 미스터리 중 하나다. 이러한 현상이 일어나려면 빅뱅 이후 두 "거울 세계" 사이의 대칭성이 깨져야 한다. 하지만 어떻게 그럴 수 있을까? 수십 년간의 연구에도 불구하고 물리학자들은 입자와 반물질 사이의 충분한 차이점을 발견하지 못했다. 질량 대 전하비, 강한 핵력, 양자 도약과 같은 기본적인 특성은 일정하다. 일부 붕괴 반응에서만 약간의 차이가 나타날 수 있다.

대칭성 깨짐을 감출 수 있는 또 다른 특징이 있다. 바로 반입자의 자기 모멘트다. 그들의 자기 스핀은 두 방향을 가리키고 뒤집힐 수 있는데, 마치 작은 쌍극자 자석처럼 말이다. 이러한 스핀 전이는 특히 양자 컴퓨터의 큐비트에서 디지털 0과 1로 사용된다. 또한 자연의 근본적인 법칙을 실험적으로 검증하는 데에도 사용될 수 있다.

▲ 실험 셋업. a, 단일 포획된 반양성자를 이용한 결맞는 스핀 양자 전이를 보여주는 다중 페닝 트랩. 트랩 스택은 반양성자 저장 트랩, 파크 트랩, 고도로 균질하고 차폐된 정밀 트랩, 연속 슈테른-게를라흐 효과를 적용하는 분석 트랩, 그리고 반양성자의 변형된 사이클로트론 모드를 냉각하는 트랩으로 구성된다. 트랩 전극(황금색)은 사파이어 링(파란색 음영)으로 간격을 두고 배치된다. (출처:Published: 23 July 2025 / Coherent spectroscopy with a single antiproton spin / nature)

측정 보조 도구로서의 플립 스핀

문제는 반물질을 생성, 측정 또는 저장하는 데 상당한 노력이 필요하다는 것이다. 반입자는 일반 물질과 접촉하는 즉시 소멸되기 때문이다. 따라서 단일 반입자의 스핀 전이를 제어하고 측정하는 것은 매우 어렵다. 그런데도 CERN의 물리학자들은 이미 양성자와 반양성자의 자기 모멘트를 비교 측정하는 데 성공했다.

"전에는 자기장 변동과 기술적 간섭이 스핀 역학에 영향을 미치는 비간섭성 분광법이 사용되었다. 이로 인해 궁극적으로 정확도가 제한되었다"고 공동 선임 저자인 하인리히 하이네 뒤셀도르프 대학교의 크리스티안 스모라(Christian Smorra)와 CERN BASE 협력 연구원인 크리스티안 스모라(Christian Smorra)는 설명했다.

BASE 협력 연구진은 최초로 단일 반양성자의 스핀을 의도적으로 조작하고 그 자기 모멘트를 측정하는 데 성공했다. 연구팀은 "우리가 아는 한, 단일 '자유' 핵 스핀에 대한 결맞는 양자 분광법은 이전에 달성된 적이 없다"고 기술했다.

페닝 트랩의 "어린이 그네"

이 실험을 위해 물리학자들은 CERN의 "반물질 공장"에서 반양성자를 생성한 후, 이 반양성자를 특별히 설계된 자기 트랩으로 유도했다. 이 3단계 트랩 시스템은 반물질 입자를 부유 상태로 유지하면서 진동하는 전자기장에 노출시켰다. 입자의 반응은 다양한 검출기를 통해 측정된다.

이 과정의 원리는 아이가 그네를 흔드는 것과 비슷하다. "적절한 주파수로 밀면 리드미컬하게 앞뒤로 흔들린다. 우리의 경우, 그네는 전자기장을 사용하여 의도적으로 진동시킨 단일 반양성자의 스핀이다"고 뒤셀도르프 대학교의 BASE 대변인 슈테판 울머는 설명했다. 이러한 조작으로 반양성자는 스핀이 규칙적으로 뒤집힌다.

▲ 포획된 반양성자의 이러한 진동은 스핀 상태의 변화를 나타낸다. © Latacz et al./ Nature, CC-by-nc-nd 4.0 단일 포획된 반양성자 스핀의 결맞는 라비 진동 관찰. 파란색 점은 측정 데이터를 나타내고 빨간색 선은 관련 측정에서 결정된 52 MHz 사이클로트론 주파수 측정 결맞음을 가정한 몬테카를로 적합을 나타낸다. 회색은 몬테카를로 시뮬레이션의 불확도. 각 지점은 20번의 스핀 플립 시도의 평균이며, 불확실성 막대는 측정된 데이터 분포의 표준편차를 나타낸다. 측정 캠페인 기간 동안 다양한 라비 주파수에 대한 이러한 플롯을 여러 개 기록했다. (출처:Published: 23 July 2025 / Coherent spectroscopy with a single antiproton spin / nature)

실제로 측정 결과, 그네에 갇힌 반양성자는 외부 자기장에 의해 제어되는 두 가지 스핀 양자 상태 사이를 규칙적으로 전환하는 것으로 나타났다. 이는 물리학자들이 이러한 반입자의 스핀을 성공적으로 제어하고 결맞는 스핀 양자 전이 분광법을 사용해 판독한 최초의 사례다. 또한 연구팀은 이 제어된 결맞는 상태를 50초 동안 유지하는 데 성공했는데, 이는 또 다른 기록이다.

반물질로 만들어진 최초의 큐비트

이를 통해 물리학자들은 단일 반양성자의 스핀을 최초로 제어하고 측정했을 뿐만 아니라, 반물질로 만들어진 최초의 안정적인 양자비트를 만들어냈다. "이번 실험은 이러한 반물질 큐비트를 최초로 시연하는 것이다"고 연구팀은 밝혔다.

동시에 이 획기적인 발견은 물질과 반물질의 차이를 더욱 정밀하게 탐색할 수 있게 해 준다. 울머는 "이것은 앞으로 근본적인 물리적 대칭성에 대한 훨씬 더 정밀한 실험을 가능하게 할 획기적인 사건이다"며 "특히, 앞으로는 반양성자의 자기 모멘트를 10배, 장기적으로는 최대 100배 더 정확하게 측정할 수 있을 것으로 예상한다”고 덧붙여 말했다.

▲ 운반 카트에 실린 BASE-STEP 반물질 운반 상자 © BASE / Barbara Maria Latacz

반물질이 이동성을 갖추다

BASE 협력 연구팀의 물리학자들은 이미 다음 단계를 준비하고 있다. 바로 이동식 반물질 트랩을 개발하는 것이다. 이 트랩은 CERN에서 반물질을 뒤셀도르프의 특수 측정 실험실로 운반하는 데 처음으로 사용될 예정이다. CERN에 존재하는 입자 가속기의 강력한 전자기장으로 인한 간섭 효과가 제거되어 더욱 정밀한 측정이 가능하다.

CERN의 주저자 바바라 라타츠는 "새로운 외부 정밀 시스템이 작동하고 BASE-STEP의 반양성자가 공급되면 현재 시스템보다 최대 10배 더 긴 스핀 결맞음 시간을 달성할 수 있을 것이다"고 설명한다. "이는 중입자 반물질 연구에 또 다른 이정표가 될 것이다."

참고: Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-09323-1
출처: CERN, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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