[표지로 읽는 과학] 페닝트랩·레이저 냉각기술로 반물질 비밀 밝힌다

네이처 제공

국제학술지 '네이처'는 1일 금으로 도금된 ‘페닝 트랩’의 전극 끝을 클로즈업한 모습을 표지로 실었다. 페닝 트랩은 전하를 띠고 있는 입자를 뜻하는 하전입자를 포획하는 특수 저장장치다. 자기장과 전기장을 이용해 하전 입자를 실린더 안에 가둘 수 있어 정밀측정과 기초 물리 연구에 쓰이고 있다. 유럽입자물리연구소(CERN)을 포함해 전 세계 연구실에서 사용되고 있다.

페닝 트랩은 1960년대 독일 물리학자인 한스 데멜트가 개발했다. 그는 이 포획기술로 1989년 노벨 물리학상을 받았다. 이 기술과 함께 1980년대 개발된 ‘레이저 냉각’ 기술은 원자 물리학에 큰 발전을 가져왔다. 레이저 냉각 기술은 원자를 절대영도에 가깝게 냉각해 원자의 움직임을 느리게 하는 기술이다. 이 기술을 개발한 스티븐 추 미국 스탠퍼드대 물리학과 명예교수는 1997년 노벨 물리학상을 수상했다. 이 두 기술을 통해 원자의 움직임을 매우 정밀하게 측정하는 게 가능해졌다. 

‘알파 컬래버레이션’ 연구팀은 이번 주 네이처에 이 기술들을 ‘반물질’에 성공적으로 적용했다고 발표했다. 알파 컬래버레이션 연구팀은 미국 버클리 캘리포니아대 연구팀과 영국 스완지대, 캐나다 캘거리대, 덴마크 오르후스대, 이스라엘 벤구리온대, CERN 등의 연구팀이 함께하는 국제 공동연구팀이다. 

반물질은 물질과 반대되는 개념으로 전하가 다르다. 전자는 물질이고, 전자의 반물질은 양전자이다. 전자는 음전기를 가지고 양전자는 양전기를 가진다. 모든 물질이 반물질 쌍을 가지고 있다. 물질과 반물질이 만나면 소멸되며 엄청난 에너지를 발생한다. 연구팀은 자기장을 사용해 반수소 원자를 포획한 다음 여기에 레이저를 조사했다. 이를 통해 반수소 원자의 움직임을 기존보다 10배 느리게 만드는 데 성공했다. 

연구팀은 “이 기술을 통해 반물질의 기본적인 특성을 좀 더 쉽게 밝혀낼 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
 

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]