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- 이제 10번째 반입자가 추가됐다. 현재까지 가장 무거운 반물질 핵
- 미국 상대적 중이온 충돌기(RHIC)의 가속기 링에서 빛 속도의 99.96%로 서로를 향해 발사
- 물질과 반물질이 수명에 있어서 근본적으로 다르지 않다는 것을 확인

물리학자들이 가장 무거운 반물질 핵을 만들었다
미국 입자가속기 RHIC에서 Antihyperhydrogen-4 최초 검출

반물질 기록:
물리학자들은 지금까지 알려진 가장 무거운 반물질 원자핵인 안티하이퍼하이드로겐(AHH, Antihyperhydrogen)-4를 처음으로 생성하고 검출했다. 이 핵은 반양성자 1개, 반중성자 2개, 특이한 반하이페론 1개로 구성된다. 미국 입자 가속기 RHIC에서의 탐지는 물질과 반물질의 비대칭의 아직 불분명한 원인을 검색할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. 그러나 연구팀은 네이처(Nature)에 보고된 바와 같이 AHH-4의 붕괴 시간에 대해서는 아직 아무것도 발견하지 못했다. 

▲ 미국 RHIC 입자가속기의 물리학자들은 지금까지 발견된 것 중 가장 무거운 반물질 원자핵인 안티하이퍼하이드로겐-4를 생성했다. © Institute of Modern Physics (IMP)

빅뱅에서 같은 양의 물질과 반물질이 생성됐지만, 오늘날의 우주에서는 물질이 지배적이다. 그런데 왜 그럴까? 한 가지 가능성은 입자와 반입자 특성의 미묘한 차이, 즉 비대칭성이다. 지금까지 물리학자들은 그러한 대칭 위반을 찾으려고 노력했지만 헛수고였다. 양전자나 반양성자와 같은 단순한 반입자나 반수소나 반헬륨과 같은 반원자도 일반 물질과 큰 차이를 보이지 않았다.

그러나 반물질 테스트 대상의 선택은 제한적이다. 양전자가 1932년에 처음 발견된 이후 물리학자들은 9개의 서로 다른 반물질 원자 구성 요소와 원자핵만 발견했으며 그중 어느 것도 원자핵을 구성하는 안티헬륨-4보다 무겁지 않았다. 두 개의 반양성자와 두 개의 반중성자로 구성된다.

3개의 일반 핵 구성 요소와 1개의 무거운 Exot

이제 10번째 반입자가 추가되었다. 이는 현재까지 가장 무거운 반물질 핵이다. 소위 안티하이퍼하이드로겐-4(antihyperhydrogen-4)는 두 개의 반양성자, 반중성자, 그리고 네 번째 핵심 구성 요소인 안티하이퍼론(Anti-hyperon)으로 구성된다. 후자는 모든 물질 구성요소에 존재하는 세 개의 위아래 쿼크 중 하나가 더 무거운 이상한 쿼크로 대체되는 핵 구성요소인 이국적인 하이페론과 동등한 반물질이다.

안티-하이페론은 특이한 안티쿼크로 인해 일반적인 반양성자 및 반중성자보다 무겁지만 동시에 더욱 불안정하고 수명이 짧아 특히 감지하기 어렵다. 이 무거운 반물질 핵을 탐지하기 위해 STAR 협력의 물리학자들은 60억 개가 넘는 무거운 원자핵 충돌로부터 얻은 데이터를 평가해야 했다. 이들은 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL)에 있는 미국 상대적 중이온 충돌기(RHIC)의 가속기 링에서 빛 속도의 99.96%로 서로를 향해 발사됐다.

건초 더미에 바늘

BNL의 STAR 대변인 Lijuan Ruan은 "이러한 RHIC 충돌에서 이 안티하이퍼수소의 4개 빌딩 블록이 때때로 이 반물질 코어로 결합될 만큼 서로 충분히 가깝게 생성되는 것은 순전히 우연의 일치다"고 설명했다. 이것은 매우 드물게 발생한다. 설상가상으로, 안티하이퍼수소-4는 불과 몇 센티미터의 비행 후에 붕괴된다. 이는 안티헬륨-4 핵과 양전하를 띤 파이온으로 나누어진다. 그러나 문제는 RHIC의 원자핵 충돌에서 다른 붕괴를 통해 파이온도 생성된다는 것이다.

▲ RHIC 입자 가속기의 STAR 검출기 보기(왼쪽) 및 금 핵 충돌 후 입자 추적 예시. © Joe Rubino, Jen Abramowitz/브룩헤이븐 국립연구소

따라서 핵심은 안티헬륨-4 핵의 궤도와 교차하고 특정 특성을 갖는 파이온을 찾는 것이다.라고 Ruan은 설명했다. 복잡한 컴퓨터 지원 분석을 통해 STAR 검출기에 포착된 파이온의 모든 궤적을 재구성하고 안티헬륨 입자의 궤적과 비교해야 한다. 결국 수십억 번의 충돌 중에서 소수의 후보만이 남았다. “우리는 24개의 AHH-4 핵과 16개의 AHH-4 핵에서 신호를 식별했다”고 물리학자들은 보고했다.

비교시험에서의 AHH-4

STAR 협력의 물리학자들은 이제 10번째이자 가장 무거운 유형의 반물질 원자핵인 안티하이퍼하이드로겐-4를 발견했다. 이제 물질과 반물질의 비대칭 이유를 찾기 위해 또 다른 반입자를 사용할 수 있습니다. STAR 공동작업의 Hao Qiu는 "대칭 위반을 찾으려면 추가 반물질 입자를 감지하는 것이 첫 번째 단계다"며 "그것이 우리 연구의 논리이기도 하다"고 설명했다.

물리학자들은 이미 AHH에 대한 초기 비교 테스트를 수행했다. 그들은 HH-4와 AHH-4의 수명을 비교했다. 결과: 물질 버전은 평균 약 188피코초 후에 붕괴되고, 반물질 버전은 170피코초 후에 붕괴됐다. 그러나 두 가지 모두의 오차 한계는 30피코초를 초과하므로 차이보다 크다.

(아직) 큰 차이는 없다.

따라서 팀은 두 개의 이국적인 원자핵의 붕괴 시간이 크게 다를 수 없다는 결론에 도달했다. "불확실성 내에서 값은 차이 0에 해당한다"고 물리학자들은 말한다. 그러나 훨씬 더 단순하고 가벼운 또 다른 입자인 D0-중간자(meson)의 붕괴 시간에 상당한 차이가 2019년에 발견되었다. 그러나 단 하나의 입자에 대한 이러한 증거만으로는 물질과 반물질의 비대칭의 원인으로 보기에는 충분하지 않다.

따라서 STAR 협력의 물리학자들은 그들의 결과를 물질과 반물질이 수명에 있어서 근본적으로 다르지 않다는 것을 확인한 것으로 생각한다. 이는 이론적 모델을 확증하는 동시에 "반물질에 대한 실험적 연구의 주요 진전"이기도 하다. 다음 단계에서 그들은 이제 하이퍼하이드로겐-4와 안티하이퍼하이드로겐-4의 질량을 비교할 계획이다.
(네이처, 2024 doi:10.1038/s41586-024-07823-0)
출처: DOE/브룩헤이븐 국립연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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