CERN 알파 실험, 반수소 초미세 구조 측정에서 100배 더 정밀해진 기록 달성

반물질을 만드는 가장 큰 걸림돌은 '온도'였다. 반수소를 만들기 위해선 반양성자와 양전자를 결합해야 하는데, 양전자의 온도가 너무 높으면 원자들이 쉽게 결합하지 못하고 사라져 버린다 .

ALPHA 팀은 여기에 기발한 해법을 적용했다. 마치 따뜻한 물에 얼음을 넣어 식히듯, 연구팀은 레이저로 쉽게 냉각할 수 있는 베릴륨 이온(Be⁺) 을 양전자 플라즈마에 섞어 넣었다. 313나노미터(nm) 레이저로 극저온 상태가 된 베릴륨 이온들이 플라즈마 속 양전자와 쿨롱 상호작용을 통해 열에너지를 빼앗아 가는 원리다 .

이 방식으로 연구팀은 이전에 15~20켈빈(K)에 머물렀던 양전자의 온도를 7켈빈 이하, 약 10켈빈 수준까지 떨어뜨리는 데 성공했다. 이로 인해 반양성자와 양전자의 결합 효율이 비약적으로 높아졌다 .

20배 이상 폭증한 반물질 포획량

그 결과는 극적이었다. 교감 냉각 기술 도입으로 ALPHA 실험은 단 7시간 만에 15,000개 이상의 반수소 원자를 쌓아 올릴 수 있게 되었다 . 이는 이전 방식 대비 포획률 자체가 8배 증가한 것이며, 누적 생산량으로 따지면 종전 기록보다 20배 이상 많은 수치다 .

숫자로 그 변화를 체감해 보자. ALPHA 실험이 처음 가동된 2010년에는 한 번의 실험 사이클에서 약 0.1개의 반수소 원자를 포획하는 데 그쳤다. 이것이 2024년에는 사이클당 약 160개로 늘어났고, 베릴륨 냉각 기술의 도입으로 그 수가 폭발적으로 증가한 것이다 .

우주 탄생의 비밀을 풀 CPT 대칭성 검증

더 많은 반원자를 더 오래 가둘 수 있게 되면서, 측정의 통계적 정확도는 그 자체로 크게 향상되었다 . 동시에 수천 개의 반수소 원자를 동시에 가둘 수 있게 되면서, 이전에는 꿈도 꾸지 못했던 체계적 오차 연구나 항성시 변동(sidereal variation) 과 같은 정밀 실험도 가능해졌다 .

이제 물리학계의 시선은 CPT 대칭성 검증에 쏠린다. 현재 우주는 물질로만 이루어져 있는데, 빅뱅 이론에 따르면 초기 우주에는 물질과 반물질이 똑같은 양으로 존재했어야 한다. 이 불균형의 원인을 찾는 열쇠가 바로 CPT 대칭성의 미세한 깨짐에 있을 수 있다. ALPHA의 이번 성과는 머지않아 CPT 대칭성을 1조 분의 1(ppt) 수준까지 검증할 수 있는, 이른바 '표준 모형 너머의 물리학'을 탐험할 수 있는 확실한 길을 제시하고 있다 .