반양성자의 질량을 10자리수 측정에 성공

양성자의 질량은 전자 질량의 약 1800배. 이과의 수업에서 배운 바와 같이 물질의 구성요소인 양성자와 전자의 질량비는 자연계의 중요한 기본상수이다. 이번에 연구팀은 '광주파수 콤'이라는 기술을 사용하여 양성자의 반입자인 '반양성자'와 전자의 질량비율을 1836.152674±0.000005라는 세계 최고의 정밀도로 결정하는 데 성공했다. 이 실험결과는 물질과 반물질의 질량이 9자리까지 일치하는 것을 확인하였다.

광주파수 콤은 2005년 노벨 물리학상의 대상이 된 빛의 진동수를 정밀측정하는 장치이다. 연구팀은 이 광주파수 콤을 발전시켜 반양성자가 들어간 특이한 원자의 분광을 실시해 그 질량을 결정하는 수법을 확립했다

덧붙여 이 결과는 과학연구비 보조금·특별추진연구인 '반수소원자의 분광'(연구대표자 하야노 류고)에서 얻은 성과이다.

▣ 연구배경

반물질은 약 70년 전에 디랙이 그 존재를 예언한 이래 물리학에서 기본적인 문제의 하나로서 연구가 계속되어 왔다. 특히 물질과 반물질의 대칭성(예를 들면 양성자의 질량은 엄밀하게 동일한가 등)의 연구는 소립자물리학의 이론의 근간에 관계되는 중요한 문제이다. 양성자와 반양성자의 질량비교나 수소원자와 반수소원자의 스펙트럼 비교 등의 반물질 연구가 매우 중요하기 때문에 CERN연구소는 1997년부터 일본, 독일, 이탈리아, 미국 등의 협력을 얻어 반양성자 감속기를 건설해 2000년부터 반물질 연구를 추진해 왔다.

한편, 우리는 「반양성자 헬륨 원자」(통상의 헬륨 원자의 2개의 전자 중 1개를 반양성자로 치환한 것)라는 이상한 원자를 발견하고, 이것에 레이저광을 조사함으로써, 그 성격을 상세하게 조사해 왔다. 최근에는 반양성자 헬륨 원자의 레이저 분광으로 반양성자 질량을 정밀하게 결정할 수 있게 되어, 다양한 궁리를 거듭함으로써, 반양성자 질량의 정밀도가 양자 질량의 정밀도에 필적하는 레벨에 도달한 것이다.

▣ 반양성자의 질량을 구하는 방법

반양성자 헬륨원자 내에서는 반양성자가 헬륨원자핵의 주위를 둘러싸는 궤도에 들어가 있다. 연구팀의 지금까지의 연구에서 이 원자에 특정 주파수를 가진 빛을 비추면 공명을 일으켜 반양성자가 다른 궤도로 넘어가는 것을 알게 되었다. 공진주파수의 값은 슈퍼컴퓨터를 이용한 수치계산에 의해 이론적으로 예언할 수 있지만, 이때 반양성자와 전자의 질량비가 입력데이터로 사용된다. 반대로 공진주파수를 실험적으로 측정하여 이론치와 비교하여 반양성자와 전자의 질량비를 구할 수 있다.

이번 논문에서는 우리가 측정한 반양성자 헬륨의 공명주파수와 러시아의 Korobov의 계산결과와의 비교로부터 반양성자와 전자의 질량비를 결정했다.

▣ 광주파수 콤

이번 실험에서는 반양성자를 감속하고 저온 저밀도의 헬륨 표적에 주입함으로써 반양성자 헬륨원자를 생성했다. 이것에 광주파수 콤을 사용하여 생성한 매우 에너지가 갖추어진 레이저 광선을 조사했다.

광주파수 콤은 광학 주파수 영역에 빗과 같은 규칙적인 눈금을 넣어 빛의 진동수를 원자시계의 정밀도로 직접 읽을 수 있도록 하는 획기적인 장치이다. 본 발명에 따라 TW Hänsch는 2005년 노벨 물리학상을 수상했다.
우리가 사용하고 있는 주파수 콤은 가속기 실험의 가혹한 환경에서도 수개월에 걸쳐 안정적으로 가동하도록 Hänsch 그룹이 설립한 멘로 시스템즈사의 협력을 얻어 개발한 것이다.

▣ 의미

이번에 우리는 반양성자와 양성자의 질량이 9자리까지 일치함을 보여주었다. 이것은 물질·반물질 대칭성 검증으로서 최고 정밀도의 결과이다. 현재 물질·반물질의 질량의 차이를 정량적으로 예언하는 이론은 없기 때문에 앞으로 어디까지 정밀도를 올리면 양자·반양성자의 질량차를 검출할 수 있을지는 모르지만, 이미 반양성자의 질량 정밀도가 양성자의 질량 정밀도에 가까워지고 있기 때문에 향후에는 양성자의 질량 정밀도의 향상도 필요하다는 것은 분명하다.

한편 9~10 자리수 정도로 질량의 차이가 나타나지 않는다는 입장에 서 있다면, 반양성자 질량 정밀도가 양자 질량 정밀도를 능가하면 기초물리 정수표의 양성자질량치에 반양성자의 값이 채택될 수 있다.

▣ 용어 해설

반양성자: 양성자의 반입자. 마이너스의 전하를 가진다. 체임벌린과 세그레 등에 의해 약 50년 전에 발견되었다.

CERN: 유럽합동입자핵연구기구. 제네바 교외에 있는 세계 최대의 소립자물리학 연구소.

반양성자 감속기: 세계 유일한 저속 반양성자 발생장치. 싱크로트론으로 260억 전자볼트로 가속된 양성자를 금속 표적에 부딪쳐 반양성자를 생성하고, 이를 링으로 포획하여 500만 전자볼트까지 감속한다. 반양성자 헬륨원자 및 반수소원자의 생성에는 "느린" 반양성자가 필수적이다.

양성자와 전자의 질량비: 2002년에 발표된 CODATA의 권장값은 1836.15267261±0.00000085.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 反陽子質量を10桁測定することに成功
https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2006/05.html#:~:text=%E9%99%BD%E5%AD%90%E3%81%AE%E8%B3%AA%E9%87%8F%E3%81%AF%E9%9B%BB%E5%AD%90,%E9%87%8D%E8%A6%81%E3%81%AA%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E5%AE%9A%E6%95%B0%E3%81%A7%E3%81%99%E3%80%827