물질과 충돌하면 막대한 에너지를 생성하고 소멸하는 반물질은 우주가 탄생할 때의 상태를 조사하기 위한 중요한 물질로 여겨지고 있다. 하지만 자연 상태에서는 거의 관찰할 수 없었다.

그런데 유럽원자핵공동연구소 CERN 산하 연구 그룹인 알파(ALPHA collaboration)가 실험실에서 만들어낸 반수소 원자의 스펙트럼을 세계에서 처음으로 자세하게 관찰하는 데 성공했다고 한다. 반물질을 자세하게 분석해 반물질과 물질간 차이에 대한 연구가 진행될 것으로 기대를 모으고 있다.





원자는 원자핵과 이 주위를 맴도는 전자로 이뤄져 있으며 전자가 다른 궤도로 이동할 때 특정 파장 빛을 흡수하거나 방출하는 등 고유 스펙트럼, 파장 분포를 형성한다. 이런 스펙트럼을 관측해 물질 상태를 추측하는 건 중요하다. 예를 들어 멀리 떨어진 별빛에 대한 스펙트럼을 분석해 해당 별을 조성하고 있는 원소를 결정한다.

알파 연구팀은 반양성자 감속기에서 꺼낸 반양성자에 양전자를 혼합해 플라즈마화했다. 반양성자 9만 개에서 반수소 원자 2만 5,000개를 제거했다. 꺼낸 반수소는 강력한 자기장을 발생시킨 진공장치 내에서 15분 동안 포착하는 데 성공했다. 또 반수소와 수소를 비교 관찰하기 위해 레이저를 이용해 1s 궤도에서 2s 궤도로 전이 발생하는 스펙트럼을 정밀하게 관측하는 데 성공했다.





이번 실험을 주도한 오르후스 대학 제프리 한스 박사는 실험 목표가 반물질의 반수소가 수소와 같은 가벼운 특성을 갖는지 아는 것이라면서 지금까지의 실험 결과부터 말하자면 대답은 그렇다는 것이라고 설명했다. 또 수십억 분의 1인 현재 실험 정확도를 수백조분의 1 수준으로 높이는 게 목표라고 덧붙였다.

반물질은 물질과 반응하면 강한 빛을 방출하는 물질 다 함께 소멸한다. 이번 실험에서 관찰한 스펙트럼은 물질과 반물질의 스펙트럼을 비교한 첫 관찰이라고 할 수 있다. 물론 앞서 밝혔듯 수십억 분의 1 정도인 실험 제한 탓에 수소와 반수소에서 유의미한 차이는 확인하지 못했다. 다만 결과는 수소와 반수소가 동일한 빛 특성을 갖고 있다는 소립자 물리학의 표준 이론과 일치한다. 연구팀은 실험 정확도를 높여 반수소를 분석할 예정이며 이를 통해 물질과 반물질이 같은 물리 법칙에 따르는 것인지 해명될 것으로 기대를 하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.

https://www.youtube.com/watch?v=AxG_dYEfF5g

이원영 IT칼럼니스트  b612@glasspad.co.kr

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