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[물리] 새로운 반물질 포획법
2013.01.17 12:36
새로운 반물질 포획법http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013010279&service_code=03 | |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-01-16 | |
| 포획된 반수소를 냉각시키는 방법을 연구자들이 제안했다. 이 방법이 실험적으로 중요한 이득을 제공할 것이며, 현재까지도 불명확한 상태로 남아 있는 반물질의 불가사의한 특성들을 이해하는데 도움이 될 것이라고 그들은 생각한다. 미국과 캐나다의 연구진이 개발한 이 새 방법은 포획된 반수소 원자들을 과거에 달성되었던 것보다 25배나 더 차가운 온도로 냉각시킴으로써, 반수소 원자들을 훨씬 안정적으로 만들고 실험 수행을 매우 용이하게 만들 가능성이 있다. 2013년 1월 7일 IOP가 발행하는 ‘Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics’에 발표된 이 방법은 반수소 원자에 레이저를 비춤으로써 반수소 원자들이 에너지를 잃고 냉각되도록 만든다. 반수소 원자들은 극도로 높은 진공 덫 내에서 반양성자들을 양전자 플라즈마 속에 주입함으로써 형성된다. 원자 작용으로 인해 반양성자가 양전자를 포획함으로써 전기적으로 여기된 반수소 원자가 생기게 된다. 전형적으로, 반수소 원자들은 포획 깊이에 비해서 많은 에너지를 가지므로 그 특성에 대한 측정 결과를 왜곡시킬 수 있다. 매우 적은 수의 반수소 원자들만 포획하는 것이 가능하므로, 높은 에너지를 감소시키는 주된 방법은 레이저를 이용하여 이 원자들을 극저온으로 냉각시키는 것이다. “반수소의 에너지를 감소시키면, 반소수의 모든 매개변수들에 대해서 보다 정밀한 측정을 수행하는 것이 가능할 것이다. 우리가 제안한 방법은 포획된 반수소의 평균 에너지를 10배 이상 감소시킬 수 있었다”고 이번 연구의 공동저자이자 미국 오번대(Auburn University)의 교수인 프란시스 로비쇼(Francis Robicheaux)는 말했다. “반수소 실험의 궁극적인 목적은 그 특성을 수소의 특성과 비교하는 것이다. 더욱 차가운 반수소는 이러한 목적을 달성하는데 중요한 발판이 된다”고 그는 말했다. 도플러 냉각(Doppler cooling)이라는 이러한 과정은 원자들을 냉각시키는데 확립된 방법이다. 하지만, 반물질을 포획하는데 필요한 매개변수들이 제한적이기 때문에, 연구자들은 그것이 가능하다는 것을 절대적으로 확신해야 했다. “121nm라는 특정한 파장에서 필요한 양의 레이저 광을 만드는 것은 쉽지 않다. 그 빛을 만든 뒤에도, 반수소 포획 실험에 맞추는 것은 어려울 것이다. 계산을 통해, 우리는 이러한 노력이 해볼만 하다는 것을 증명했다”고 로비쇼 교수는 말했다. 일련의 컴퓨터 시뮬레이션들을 통해서, 반수소 원자들이 약 20밀리켈빈 정도까지 냉각될 수 있다는 것을 그들은 증명했다. 지금까지 포획된 반수소 원자들의 에너지는 500밀리켈빈까지였다. 2011년에, CERN의 연구자들은 1,000초 동안 반물질을 포획했다고 보고한 바 있다. 일 년 뒤, 반수소에 관한 최초의 실험이 수행되었지만, 그 반수소들은 일련의 자석들 사이에서 포획되었다. 포획을 통제하는 과정들에 대해서는 대체로 알려지지 않고 있지만, 레이저 냉각이 반수소가 포획될 수 있는 시간의 양을 증가시킬 것이라고 연구진은 확신하고 있다. “그 과정들이 무엇이든 간에, 더 느리게 움직이게 만들고 더 깊이 포획한다면, 반수소는 붕괴율이 감소할 것”이라고 로비쇼 교수는 말했다. 더 차가운 반수소 원자들은 반물질의 중력 특성을 측정하는 데에도 이용될 수 있을 것이다. “반물질이 실제로 중력장에 떨어지는 것을 본 사람은 아무도 없다. 레이저 냉각은 그와 같은 관찰을 가능케 할 매우 중요한 단계가 될 것”이라고 이번 연구의 공동 저자이자 캐나다 국립입자핵물리학연구소 TRIUMF의 마코토 후지와라(Makoto Fujiwara) 박사는 말했다. * 반물질에 관한 간추린 정보 모든 입자는 반입자를 가진다. 예를 들면, 전자의 반입자는 양전자이며 양성자의 반입자는 반양성자이다. 반입자는 그와 대응되는 입자와 정확히 동일하지만 반대의 전하를 갖고 있다. 만약 한 입자와 그에 대응되는 반입자가 만나면, 그 입자들은 서로를 파괴하며, 이것은 쌍소멸이라고 알려져 있다. 하나의 양전자와 하나의 반양성자가 결합되면 반수소가 만들어진다. 이론적으로는 빅뱅 이후, 동일한 양의 물질과 반물질이 형성되었을 것이라고 제안되고 있다. 오늘날의 우주는 거의 전적으로 물질로 구성되어 있기에, 왜 이러한 대칭성을 갖지 못하는지는 큰 수수께끼로 남아있다. CERN의 ALPHA 공동연구팀과 같은 과학자들은 반수소의 특성을 측정하여 이러한 비대칭성이 존재하는 이유에 대한 단서를 찾기 위해 노력하고 있다. | |
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