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- 레이저 빔을 사용해 반물질 원자를 절대 영도에 가까운 온도로 냉각
- 초저온 반물질의 생성으로 이전보다 훨씬 더 정확하게 일부 기본 특성을 측정 할 수 있어
- 미래의 실험을위한 획기적인 기회를 창출

반물질의 최초 레이저 냉각
초저온 반수소의 생성으로 반물질 연구의 새로운 시대를 열다

얼음처럼 차가운 돌파구 :
물리학자들이 처음으로 반물질 원자를 절대 영도에 가까운 온도로 냉각시켰다.
이것은 레이저 펄스가 자기트랩(magnetic trap)에서 반수소 자체의 움직임을 늦추는 특수 레이저 냉각 시스템에 의해 가능해졌다. 초저온 반물질의 생성은 완전히 새로운 실험을 가능케 하고 물리학의 기본적인 질문을 명확히 하는 데 도움이 될 수 있다. 

과학자들이 '네이쳐'에 그 내용을 발표했다. 

▲ 레이저 빔의 도움으로 물리학자들이 처음으로 반수소 원자의 적절한 움직임을 늦추어 반물질을 냉각시켰다. 이 그림은 레이저 냉각 전 (회색) 및 후 (청백색) 안티 원자의 움직임 흔적을 보여준다. © Chukman So / TRIUMF

우주에서 물질과 반물질 사이의 불균형은 우리 존재의 전제 조건이며 동시에 물리학에서 가장 큰 퍼즐 중 하나다. 빅뱅 이후 물질이 왜 우위를 차지했는지는 지금까지 알려지지 않았기 때문이다. 이전 테스트에서는 양전자 또는 반수소와 같은 반물질 입자가 강한 핵력, 자기 거동 또는 스펙트럼과 같은 기본 특성에서 "정상" 입자와 다르지 않다는 것을 보여주었다.

그러나 반물질 실험은 특수한 자기 트랩에서 짧은 시간 동안만 안정적으로 유지되기 때문에 매우 복잡하다. 또한 많은 테스트는 극도로 차갑고 거의 움직이지 않는 반원자로만 가능하지만 지금까지 반물질을 충분히 냉각시킬 수 있는 방법은 없었다.

따라서 Aarhus University의 제프리 행스트(Jeffrey Hangst)와 CERN 연구 센터의 ALPHA 공동 연구팀은 “가능한 가장 낮은 운동 에너지를 가진 반수소 생성이 중요한 목표다”고 설명했다.

에너지 전달은 냉각에 도움이 된다.

ALPHA 협력은 이제 이 목표를 달성할 수 있었다.
처음으로 물리학자들은 레이저 냉각을 사용해 반수소 원자를 상당히 냉각시키는 데 성공했다. 이 방법에서 레이저 빔은 원자의 자연스러운 움직임을 늦추는 데 사용된다.
레이저의 방향과 주파수가 정확하면 광자가 원자의 움직임을 느리게 한다.
결과적으로 절대 영도 바로 위까지 냉각되고 거의 정지 상태가 된다.

그러나 이 방법으로 반수소를 냉각시키기 위해 물리학자들은 먼저 소위 라이만-알파 전이를 촉발시켜야 했다. 반원자의 양전자는 에너지 레벨 1S에서 다음 더 높은 2P 레벨로 점프하고 다시 떨어질 때 121.6nm9나노 미터) 파장의 UV 광자를 방출한다.
결과적으로 반수소는 낮은 에너지 기본 상태로 돌아간다.

▲ CERN의 ALPHA 시설에서 ALPHA 협력 대변인 Jeffrey Hangst. © Maximilien Brice, Julien Ordan / CERN

약 10배 감속

현재 실험을 위해 연구팀은 처음에 CERN의 ALPHA-2 시설에서 약 1천 개의 반수소 원자를 생성했다. 이들은 파장이 121.6 나노 미터보다 약간 더 큰 펄스 레이저 빔으로 충격을 받았다. 반원자가 레이저쪽으로 이동하는 이 파장은 도플러 효과에 의해 짧아졌기 때문에 선택적으로 에너지를 전달하고 광자의 방출에 의한 냉각을 유도했다.

레이저 냉각이 성공했다는 사실은 무엇보다도 반수소의 스펙트럼 측정으로 나타났다.
원자가 덜 강하게 움직일수록 Lyman-alpha 전이의 스펙트럼 라인이 좁아졌다.
이 데이터와 다른 측정 데이터로부터 연구자들은 반수소 원자의 에너지가 평균 15.1μeV(마이크로 전자볼트)에서 1.3μeV로 감소했음을 확인했다.

Hangst와 그의 팀은 "이것은 10배 이상이다"고 말했다.
이 반물질 레이저 냉각은 일반 원자에 비해 여전히 덜 효과적이다. 그러나 연구팀은 이미 ALPHA 시스템에서 레이저를 변환하여 향후 반수소를 더욱 냉각시킬 수 있도록 하는 과정에 있다.

"광범위한 의미“

Hangst와 동료들은 “반물질에 대한 레이저 냉각 시연은 즉각적이고 광범위한 것이다”고 설명했다.
초저온 반물질의 생성으로 인해 이제 이전보다 훨씬 더 정확하게 일부 기본 특성을 측정 할 수 있다. 여기에는 스펙트럼의 미세 구조가 포함되며, 이는 무엇보다도 반물질에서 기본 자연 상수의 유효성에 대한 정보를 제공 할 수 있다.

반물질에 대한 중력의 영향은 초저온 반 원자로 더 잘 테스트 할 수 있다.
"레이저 빛으로 반물질 원자의 움직임을 제어하는 ​​능력은 또한 반 원자 분수, 반 원자 간섭계 또는 반물질 분자 생성과 같은 미래의 실험을위한 획기적인 기회를 창출 할 수 있다"고 물리학자들은 말했다.
(Nature, 2021; doi : 10.1038 / s41586-021-03289-6)
출처 : Nature, CNRS

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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