반물질은 손에 쥘 수도, 평범한 실험 장치에 담아둘 수도 없다. 물질과 만나는 순간 둘이 서로를 소멸시키며 사라지기 때문이다. 이 때문에 반물질을 연구하는 일은 늘 까다로웠다. 그런데 미국 노스웨스턴대학교의 제럴드 가브리엘스가 이끄는 연구진이 반물질 입자 하나를 한 번에 몇 달씩 가둬두고, 그 양자 상태까지 측정할 수 있는 방법을 선보였다. 연구 결과는 수요일 학술지 'Physical Review Letters'에 보고됐다.
연구진이 다룬 반물질은 양전자(positron)다. 양전자는 전자와 질량은 같고 전하는 반대인 반입자로, 모든 물질 입자가 각자 짝이 되는 반물질 상대를 갖는다는 원리에서 나온다. 연구진은 반감기가 약 2년 반인 방사성 동위원소 나트륨-22(소듐 22)를 출발점으로 삼았다. 이 원자가 붕괴할 때 전자의 반물질 짝인 양전자가 방출된다. 가브리엘스는 "가장 큰 과제는 이 양전자들을 속도를 늦추도록 설득한 뒤 붙잡는 것"이라고 말한다.
벽 없는 용기에 가두는 법
포획 과정은 여러 단계를 거친다. 먼저 방출된 양전자를 차갑게 식힌 얇은 텅스텐 조각의 결정격자 사이로 통과시킨다. 입자들은 물질 속을 핀볼처럼 튕겨 다니며 속도와 에너지를 잃는다. 가브리엘스는 "무언가에 부딪칠 때마다 소멸할 가능성이 있지만 항상 그런 것은 아니며, 끝까지 살아남으면 밖으로 튀어나온다"고 설명한다. 살아남은 양전자는 전자기장을 이용해 통로를 따라 유도되어, 절대 영도보다 섭씨 0.3도 높은 극저온 진공 속으로 들어간다. 위아래는 전기장이, 옆면은 자기장이 붙잡는다. 가브리엘스의 표현대로 "반물질을 붙들려면 벽이 없는 용기에 담아야" 하기 때문이다. 이 방식으로 연구진은 외톨이 양전자 하나를 한 달 동안 격리해 관찰했고, 원리상 무한정 유지할 수 있다고 본다.
측정의 핵심은 전자와의 대칭 비교
연구진이 이 덫으로 하려는 것은 양전자의 자기 모멘트, 즉 입자가 지닌 자기장의 세기와 방향을 정밀하게 재는 일이다. 이를 위해서는 두 가지 에너지를 확정해야 한다. 양전자의 스핀 방향을 뒤집는 데 필요한 에너지와, 바닥 상태에서 첫 번째 들뜬 상태로 뛰어오르게 하는 데 필요한 에너지다. 가브리엘스 연구진은 유사한 덫 장치를 써서 이미 전자의 자기 모멘트를 10조분의 1 수준의 정밀도로 측정한 전력이 있다. 양전자에 대해 같은 측정을 해내면 전자와의 결정적 비교가 가능해진다.
비교의 의미는 간단하다. 입자물리학의 표준모형은 전자와 양전자의 자기 모멘트가 정확히 반대여야 한다고 예측한다. 두 값이 어긋난다면, 그 차이는 우리 우주가 왜 반물질이 아닌 물질로 이뤄졌는지를 설명하는 단서가 될 수 있다. 이 프로젝트에 참여하지 않은 페르미국립가속기연구소의 이론물리학자 로니 하닉은 그 대칭을 이렇게 풀어 설명한다. "모든 입자를 반입자로 바꾸고, 좌우를 뒤집어 거울로 물리를 들여다보고, 되감기 버튼을 눌러 시간의 흐름을 거꾸로 돌려도 — 가장 기본적인 이론들은 물리가 그대로 유지된다고 말한다."
이 질문이 중요한 이유는 우주의 기원과 맞닿아 있다. 빅뱅 직후에는 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 존재했으리라 여겨진다. 대부분은 서로 소멸했지만, 어떤 이유에서인지 아주 미세한 물질의 초과분이 남아 오늘날의 별과 행성을 이뤘다. 물질과 반물질 사이의 미세한 차이를 찾는 일은 이 근본적 불균형을 설명하려는 여러 갈래의 탐색 중 하나이며, 자기 모멘트 측정은 그 한 영역이다. 하닉은 "기본 대칭을 검증할 수 있게 해줄 흥미로운 진전"이라고 평했다.
실무적으로 이번 성과의 핵심은 '측정 가능성'에 있다. 반물질을 잠깐 만드는 것과, 하나의 입자를 장기간 안정적으로 붙잡아 반복 측정할 수 있는 플랫폼을 확보하는 것은 전혀 다른 문제다. 극저온·고진공 환경과 전자기 포획 기술의 정밀도가 이번 결과의 토대다. 다만 유의할 점도 분명하다. 지금 보고된 것은 양전자를 오래 가두는 기법 자체이며, 전자와의 자기 모멘트 비교라는 본 측정과 그 결과는 아직 나오지 않았다. 표준모형을 깨뜨릴 차이가 실제로 관측될지, 아니면 예측대로 완벽한 대칭이 확인될지는 앞으로의 측정이 말해줄 몫이다. 당장의 가치는 그 측정을 비로소 시도할 수 있게 된 문이 열렸다는 데 있다.