하지만 과학자들은 반물질에 대한 이해를 넓히는 데 상당한 진전을 이루고 있습니다. 연구진은 지난 수요일(9월 27일)에 반물질이 물질과 마찬가지로 중력에 반응하여 아래로 떨어진다는 사실을 처음으로 입증했다고 발표했습니다. 이번 실험의 성공은 천재 물리학자 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 다시 한번 뒷받침합니다.
스위스 제네바에 위치한 유럽 원자핵 연구센터(CERN)의 알파-g 장치 내부로 반수소 원자가 떨어지는 것을 시뮬레이션한 모습. 사진: 미국 국립과학재단.
우리가 알다시피, 행성과 별부터 푸들과 막대사탕에 이르기까지 우리가 보는 모든 것은 일반적인 물질로 이루어져 있습니다. 반면에 반물질은 일반 물질의 신비로운 쌍둥이로, 질량은 같지만 전기적 전하가 반대입니다.
전자와 양성자를 비롯한 거의 모든 아원자 입자는 반물질 입자를 가지고 있습니다. 전자는 음전하를 띠는 반면, 양전자라고도 불리는 반전자는 양전하를 띕니다. 마찬가지로, 양성자는 양전하를 띠는 반면, 반양성자는 음전하를 띕니다.
그 이론에 따르면 우주를 탄생시킨 빅뱅은 물질과 반물질을 같은 양으로 생성했어야 합니다. 그러나 반물질의 양은 매우 적으며, 지구에는 거의 존재하지 않습니다. 더욱이 물질과 반물질은 서로 접촉할 수 없습니다. 만약 접촉한다면 폭발할 것입니다.
이 실험은 스위스에 있는 유럽 원자핵 연구센터(CERN)에서 반수소 레이저 물리학(ALPHA) 공동 연구 그룹의 연구원들이 수행했습니다. 실험에는 가장 가벼운 원소인 수소의 반물질이 사용되었습니다.
"지구상에서 자연적으로 발생하는 반물질의 대부분은 우주에서 오는 에너지 운반 입자인 우주선이 대기 중의 원자와 충돌하여 반물질-물질 쌍을 형성함으로써 생성됩니다."라고 네이처 저널에 발표된 연구의 공동 저자인 캘리포니아 대학교 물리학자 조너선 워텔은 말했습니다.
이렇게 새롭게 생성된 반물질은 대기 하층에서 일반 원자와 접촉하기 전까지만 존재합니다. 하지만 알파 실험에서처럼 통제된 조건 하에서는 반물질을 합성할 수 있습니다.
반수소는 원통형 진공 챔버에 담겨 자기장에 의해 고정되었습니다. 연구진은 반물질이 중력에 의해 떨어지는지 관찰하기 위해 자기장을 약화시켜 반물질을 방출했습니다. 반수소는 동일한 조건에서 수소와 유사한 거동을 보였습니다.
"이 결과는 이론과 간접 실험을 통해 예측되었지만, 반물질을 떨어뜨려 어느 방향으로 떨어지는지 직접 관찰하는 실험을 한 연구팀은 이전에는 없었습니다."라고 UC 버클리의 물리학자이자 이번 연구의 공동 저자인 조엘 파잔스는 말했다.
아인슈타인이 중력에 대한 포괄적인 설명인 일반 상대성 이론을 발명했을 때, 그는 모든 물질이 동등하다고 생각했습니다. 즉, 반물질도 물질처럼 반응할 것이라는 의미였습니다. 반물질은 1932년에야 공식적으로 발견되었습니다.
영국 맨체스터 대학교의 물리학자이자 이번 연구의 공동 저자인 윌리엄 버츠셰는 CERN에서 실험을 수행했으며, "이번 결과는 일반 상대성 이론과 그와 유사한 원리들의 위력을 입증하는 것이라고 생각합니다."라고 말했습니다.
이 실험은 반물질과 물질 모두 중력에 의해 끌어당겨진다는 것을 보여줌으로써, 이전에 반물질이 부족했던 이유에 대한 가능한 설명 중 하나, 즉 반물질이 빅뱅 이후 반대편으로 밀려났다는 가설을 배제했습니다.
마지막으로 물리학자 파얀스는 "이론이 아무리 훌륭하더라도 물리학은 여전히 실험 과학으로 남아 있다"고 결론지었다.
호앙 하이 (CERN, UNSF, 로이터에 따르면)
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