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- 반물질은 일반 물질의 거울상 쌍둥이. 동일한 기본 특성을 갖지만 반대 전하와 스핀
- 둘 다 접촉하면 서로를 소멸시키고 에너지를 방출
- 2016년에 ALPHA 팀, 실험 개발하기 시작. 2022년에 사용할 준비 완료하고 측정 시작.
- 현재 결과는 중력이 반입자에도 끌어당기는 영향을 미친다는 것을 증명

반물질은 아래로 떨어질까, 올라갈까?
반물질이 중력에 어떻게 반응하는지 실험을 통해 처음으로 밝혀졌다.

중요한 돌파구:
물리학자들은 처음으로 반물질이 중력에 의해 끌어 당겨지는지 반발하는지를 실험적으로 밝혀냈다. 지금까지는 이에 대한 이론적인 가정만 있었다. 이제 CERN의 ALPHA-g-실험에서는 반수소도 지구의 중력에 끌려 아래쪽으로 떨어지는 것으로 나타났다. 그러므로 중력은 물리학자들이 “nature”에서 보고한 것처럼 물질과 마찬가지로 반물질에도 비슷한 영향을 미친다. 그러나 측정 결과는 아직 그 효과가 그만큼 강한지 명확하게 밝히지 못했다. 

▲ 물리학자들은 반물질을 위한 일종의 "낙하탑"을 건설했으며 이를 사용하여 처음으로 반원자가 떨어지는지 여부를 측정했다.© U.S. National Science Foundation

반물질은 일반 물질의 거울상 쌍둥이다. 입자와 반입자는 동일한 기본 특성을 갖지만 반대 전하와 스핀을 전달한다. 둘 다 접촉하면 서로를 소멸시키고 에너지를 방출한다. 지금까지는 그렇게 알려져 있다. 그러나 이전에는 반물질이 중력에 어떻게 반응하는지 불분명했다. 반물질이 일반 물질처럼 끌어당겨지는 걸까? 아니면 중력장 속에서 반발되어 위쪽으로 떨어지는 걸까?

▲ 입자와 반입자는 이미지나 거울상과 비슷하지만 중력에 대해서도 같은 방식으로 반응할까? © Podbregar/scinxx

"반물질이 발견된 이후 물질과 다른 중력 특성을 가질 수 있다는 추측이 있었다"고 버클리 캘리포니아 대학교의 ALPHA 공동 연구의 공동 저자인 Joel Fajans는 설명했다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 모든 형태의 물질을 동등하게 취급하므로 그의 등가 원리에 따르면 반물질은 일반 물질과 같은 방식으로 떨어져야 한다. 그러나 아인슈타인이 방정식을 공식화했을 때 반물질은 당시 전혀 발견되지 않았고 뒤늦은 1932년에야 발견됐다.

▲ ALPHA-g 실험은 반수소 원자에 대한 일종의 "낙하탑"이다. © U.S. National Science Foundation

간섭장의 문제

따라서 오늘날까지도 불확실성이 남아 있다. 반물질과 중력의 반응은 아직 직접적으로 관찰되거나 실험적으로 입증되지 않았다. Fajans는 "사람들은 왜 명백한 일을 하지 않고 반물질 조각을 떨어뜨리지 않았는지 물어볼 수도 있다. 이는 갈릴레오의 낙하 실험과 유사하다"고 Fajans는 말한다. “문제는 전자기력에 비해 중력이 믿을 수 없을 정도로 약하다는 것이다.” 미터당 단 1V의 전기장은 전하를 띤 반물질 입자에 지구 중력보다 40조 배 더 강한 힘을 가한다.

"지금까지 낙하 실험을 사용하여 양전자의 중력 반응을 직접 측정하는 것은 불가능했다. 주변의 모든 전기장은 중력보다 훨씬 더 반입자를 편향시킬 것이다"고 Fajans는 설명했다. 또한, 오랫동안 반양성자나 양전자와 같은 전하를 띤 반물질 입자를 생성하는 것만 가능했다. 따라서 반입자에 대한 일반적인 자기 트랩에서 전자기장에 대한 반응은 중력 반응의 측정을 왜곡한다.

ALPHA-g: 반수소용 "낙하 타워“

2010년 제네바 근처 CERN 연구 센터의 ALPHA 협력 물리학자들은 현재 실험의 길을 닦는 획기적인 발전을 이루었다. 그들은 반양성자와 양전자를 결합하여 중성 반수소를 형성하고 이를 자기 트랩에 고정하는 데 성공했다. 이러한 하전되지 않은 반원자는 방해 없이 중력에 대한 반물질의 반응을 측정할 수 있는 기회를 열어주었다. 2016년에 ALPHA 팀은 해당 실험을 개발하기 시작했으며 2022년에 사용할 준비가 완료되고 측정이 시작되었다.

ALPHA-g 실험은 약 100개의 반수소 원자가 한 번에 갇혀 있는 약 25cm 높이의 원통형 자기 트랩으로 구성된다. "실험 전략은 개념적으로 간단하다. 반수소 원자를 포획하여 수집한 다음 수직 트랩의 상단과 하단에 있는 장벽을 열고 트랩에서 빠져나와 벽이 소멸될 때 움직임에 대한 중력의 영향을 제어하려고 한다. 장치의”라고 물리학자들은 설명했다.

갇힌 반원자는 상당히 냉각되지만, 여전히 초당 약 100미터의 속도로 트랩 내에서 돌아다닌다. 끝 부분의 자기 장벽이 제거되자마자 점차적으로 스스로 탈출한다. 반수소가 지구의 중력에 의해 끌려간다면, 입자는 주로 트랩 바닥에서 가라앉아 나타나야 할 것이다. 반면에 중력이 반물질에 반발 효과를 준다면 반원자는 함정의 꼭대기에서 탈출하는 것을 선호할 것이다.

반원자 역시 지구의 중력을 따른다

측정 결과, 반수소 원자의 약 80%가 자기 트랩 바닥에서 튀어나와 물질과 접촉하면 소멸됐다. 반물질은 이 트랩에서 일반적인 수소 원자 구름과 거의 똑같이 행동했다. 구체적으로 물리학자들은 반수소가 지구 중력에 0.75±0.29g만큼 끌린다고 판단했다. 이는 오차범위가 있는 측정 결과가 연구팀의 설명대로 보통 지구의 중력 1g 범위 안에 있다는 뜻이다.

“우리는 반물질이 중력에 의해 반발될 가능성을 배제했다”고 버클리 캘리포니아 대학의 수석 저자이자 ALPHA 공동 회원인 Jonathan Wurtele이 말했다. “그 반대의 결과는 엄청난 결과를 가져왔을 것이며 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 약한 등가 원리와 모순되는 것이다.” 반물질에 대한 중력의 영향을 직접적으로 측정하는 것이 가능해진 것은 이번이 처음이다.

“반물질 연구의 이정표”

ALPHA 협력 대변인 Jeffrey Hangst는 "이것은 반물질 연구의 획기적인 사건이다"고 말했다. "물리학에서는 관찰하거나 측정하기 전에는 아무것도 확실히 알 수 없다. 이번 실험은 반물질의 움직임에 대한 중력 효과를 직접 관찰한 최초의 실험이다." 중력장 또는 그 아래로 떨어지면서 여전히 수수께끼인 "거울 세계"의 행동에 대한 또 다른 퍼즐 조각을 제공한다.

ALPHA-g 실험의 측정은 아마도 우주론의 가장 큰 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수도 있다. 왜 빅뱅 이후에 물질이 아닌 반물질과 물질은 서로 즉시 소멸될까? 물리학자들은 입자와 반입자의 거동의 작은 차이가 우주를 종말로부터 구했고 오늘날 물질이 지배력을 얻는 데 도움이 되었다고 오랫동안 의심해 왔다. 그러나 지금까지 입자 특성과 거동에 있어서 중요한 차이는 입증되지 않았다.

결국 차이점이 있을까?

이것이 ALPHA-g가 작용할 수 있는 곳이다. 중력이 반물질에 약간 다른 영향을 미칠 수 있다는 점을 아직 배제할 수 없기 때문이다. 현재 결과는 중력이 반입자에도 끌어당기는 영향을 미친다는 것을 증명한다. 그러나 큰 오차 한계로 인해 물리학자들은 이 인력이 일반 물질의 인력과 동일한지 여부를 아직 말할 수 없다. ALPHA 협업 팀은 추가 측정을 통해 이 문제를 곧 명확히 할 수 있기를 희망한다.

Hangst는 “다음 단계는 중력의 영향을 최대한 정확하게 측정하는 것이다. “우리는 반물질과 물질이 실제로 정확히 같은 방식으로 떨어지는지 테스트하고 싶다.” 이를 위해 연구자들은 반원자를 레이저 냉각하는 방법을 포함하도록 ALPAHA-g 실험을 확장하려고 한다. 이렇게 하면 반수소의 속도가 느려지고 보다 정확한 측정이 가능해진다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06527-1)
출처: University of California Berkeley, National Science Foundation, CERN

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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