반물질이 다가오고있다. 레이저 기술로 반물질 원자 감속 및 냉각에 성공

 

유럽입자물리연구소 CERN의 입자가속기를 활용한 캐나다 브리티시 컬럼비아대학을 포함한 국제 공동연구팀이 레이저 냉각기술을 이용해 반물질 원자의 운동을 감속함으로써 반물질 온도를 거의 절대 영도로 냉각시키는 데 성공했다.

반물질의 광흡수 스펙트럼이 샤프하게 되는 등, 반물질에 관한 실험 환경을 고도로 정밀화하는 것이 가능하게 되어져 지금까지 수수께끼로 여겨져 온 '왜 우주가 일반 물질에 의해 구성되어지며 반물질또한 동등하게 존재하지 않는가?' '정지 상태에 가까운 반물질이 중력에 대해서 어떻게 반응하는가?' '반물질 원자로만 구성된 분자는 어떠한 특징을 가지는가?'등의 의문을 가져왔다.

세계 각국의 많은 연구자가 관련된 이 연구의 성과가 2021년 3월 31일자 'Nature'지에 공개되었다.

반물질 원자는 일반 물질 원자와 같은 질량과 스핀을 가지지만 원자를 구성하는 소립자가 완전히 반대인 전하를 갖는다.

즉, 반수소 원자는 마이너스 전하를 가진 반양성자 1개와 플러스 전하를 가진 양전자 1개로 구성된다.

물질과 반물질이 충돌 등으로 지근거리에 이르면 서로 소멸하기 때문에 반물질을 현실세계에서 만들어 제어하는 것은 지극히 어렵다.

이러한 반물질의 존재는 양자역학에 의해 일찍부터 이론적으로 예측됐으나 20세기 중반 우주선 측정과 입자가속기 실험을 통해 양전자와 반양성이 발견되기에 이르렀다.

이후 CERN 입자가속기에서 11개의 반수소 원자가 만들어졌으며, 광속의 9/10 속도로 10m 길이의 진공관내를 운동하는 반수소 원자가 나노초의 몇 분의 1시간 동안 존재하였음이 확인되었다.

현재 CERN에서는 반수소 원자의 운동을 감속해 가둘 수 있는 자기장 트랩 배치에 따라 일상적으로 1000개의 반수소 원자를 여러 시간 동안 가둘 수 있다.

그러나 반수소 원자는 여전히 시속 300km의 속도로 랜덤하게 운동하고 있어 고정밀 실험이나 측정을 하려면 더욱 감속할 필요가 있다.

국제공동연구팀은 원자가 파동성을 가질 때까지 감속함으로써 초전도 및 초유동 연구를 발전시키고, 노벨상 다수의 연구로 이어진 레이저에 의한 원자 냉각(레이저 냉각)을 반물질 원자에도 적용하는 데 도전했다.

자외선 파장 121.6 nm를 가진 레이저를 향해 운동하는 반수소 원자에 대해서는 도플러 효과로 레이저 파장이 단파장 측에 시프트하여 반수소 원자의 광흡수 파장에 합치시켜 흡수시키는 한편, 레이저로부터 멀어지는 반수소 원자에 대해서는 단순히 레이저 파장이 장파장 측에 시프트하는 것만으로 아무런 영향을 주지 않는다.

그 결과, 반수소 원자 구름의 온도를 저하시키는 것과 동시에, 수십개의 반수소 원자의 운동을 시속 50 km 이하까지 감속시키는 것에 성공했다.

반수소 원자의 운동 속도가 작기 때문에, 광흡수 스펙트럼의 선폭이 4배나 샤프하게 되는 것도 확인하고 있다.

연구팀은 앞으로 더 효율적인 냉각을 실현하기 위해 레이저 출력을 늘려 파장 121.6nm인 레이저 광선의 강도를 높일 계획이다.

https://youtu.be/M_pOXZBktnE

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Canadian-built laser chills antimatter to near absolute zero for first time

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