CERN 연구소의 물리학자들이 처음으로 70년 전에 정상원자에서 발견된 양자효과 반수소에서 램이동(Lamb Shift)을 시연했다

반(反)세계(antiworld)의 양자 물리학 :

CERN 연구소의 물리학자들이 처음으로 70년 전에 정상원자에서 발견된 양자효과 반수소에서 소위 *램이동(Lamb Shift)을 시연했다. 진공에서의 양자 파동은 수소의 에너지 상태에서 작은 편차를 일으킨다. 반물질에서의 이러한 변화의 증거는 연구원들이 "Nature"저널에 보고한 것처럼 양자 효과를 경험하고 있다는 것을 보여준다.

▲ CERN의 ALPHA 실험 모습. 여기서 물리학자들은 반수소에서 램시프트(Lamb shift)의 양자 효과를 보여주었다. © CERN / Maximilien Brice

*램이동:수소원자 에너지가 디랙의 전자론에서 얻은 결과보다 약간 높은 쪽으로 이동 되어 있는 현상)

빅뱅으로 같은 양의 물질과 반물질이 생성됐으나 오늘날 우주에서는 물질이 지배적이다.
그러나 이것은 두 유형의 입자 거동에 미묘한 차이가 있어야 한다는 사실에 의해서만 설명될 수 있다. 지금까지 입자와 반입자는 강한 핵력에서부터 자기(magnetic)거동 및 질량 전하 비율, 이중 슬릿에서의 스펙트럼 또는 간섭 패턴에 이르기까지 동일한 기본 특성을 갖는 것으로 보인다. 특정 붕괴가 있을 때만 차이점의 증거가 보인다.

미묘한 변화

CERN 연구소의 ALPHA 공동 연구에서 물리학자들은 반입자의 또 다른 특징을 조사했다.
그들은 반수소가 소위 램시프트(lamb shift)를 나타내는 지 여부를 테스트했다.
1947년 윌리 램(Willi Lamb) 주변의 연구자들에 의해 발견된 이 특이성은 특정 에너지 상태의 수소가 진공에 노출될 때 발생한다. 그러면 에너지 상태 2S1/2 과 2P1/2 사이의 작은 편차가 관찰되는데, 이는 현재 이론으로는 실제로 일치해야 한다.

브리티시 컬럼비아 대학의 타카마사 모모세(Takamasa Momose)는 “에너지 측면에서 그 효과는 매우 작지만 이 양의 변화가 우주를 이해하는 데 결정적인 역할을 했다”고 설명했다.
이유는, 이 변화는 진공 상태에서 양자 변동을 입증하는데, 이를 통해 입자와 반입자 쌍이 빈 공간에서도 끊임없이 발생하고 사라진다. 그들은 또한 수소의 전자에 작용하기 때문에 램시프트를 생성한다.

시험중인 반수소

가장 큰 문제는 이 양자 효과가 반물질에서도 발생하는지 여부다.
이것이 바로 ALPHA프로젝트에 협력하고 있는 물리학자들이 조사한 내용이다.
이를 위해, 그들은 양성자와 양전자를 결합해 반수소를 형성했다. 이 짧은 수명 반원자는 자기(magnetic) 케이지(cage)를 통해 진공 챔버에서 정상적인 물질과 떨어져 있고 레이저 펄스를 사용해 원하는 에너지 준위로 가져왔다.

양전자가 더 낮은 에너지 준위로 떨어질 때, 원자는 광자를 내보내고 자기트랩(magnetic trap)으로 가속되고 물질과의 접촉으로 소멸된다. 연구원들은 방출된 에너지와 광자로부터 반수소 원자가 여기 상태에서 어떤 에너지를 취하고 있는지 판단해 램시프트를 테스트할 수 있었다.

▲ 반수소가 생성되고 유지되는 페닝 트랩의 세부모습 © Niels Madsen, ALPHA/ Swansea

양자 효과에서 물질도 일치

실험결과, '2S1/2– '와 '2P1/2-' 상태 사이의 미묘하지만 감지 가능한 차이는 반수소에서도 발생했다. "우리 실험에서 얻은 정확도 내에서, 수소의 램이동은 수소와 동일하다"고 모모세(Momose)는 보고 했다. 적어도 11%까지, 램 시프트는 두 유형의 원자에서 동일했다.

"이것은 양자전기역학의 핵심 부분이 물질과 반물질 모두에 적용된다는 것을 확인시켜준다."라고 Momose는 말한다. 밴쿠버의 TRIUMF 액셀러레이터 센터에서 그의 동료인 후지와라 마코토(Makoto Fujiwara)는 다음과 같이 덧붙였다. “많은 반물질 연구자들이 이러한 효과를 반 수소로 증명하는 꿈을 꾸었다. 우리가 지금 해낸 일에 감격한다.”

그러나 동시에 이것은 물질과 반물질의 근본적인 차이에 대한 탐색이 계속되고 있음을 의미한다. CERN의 ALPHA 실험 물리학자들은 반수소에 대한 추가 테스트를 통해 이를 추적하고 있다.
(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2006-5)
출처 : CERN, University of British Columbia

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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