양성자와 반양성자의 질량전하비를 1조 분의 16의 정밀도로 일치
이화학연구소(리켄)는 양자와 그 반물질인 반양성자의 질량전하비(질량/전하)를 각각 측정한 결과 2015년에 측정된 것과 비교하여 약 4배 높은 정밀도인 1조 분의 16으로 일치하고 아인슈타인의 '약한 등가원리'가 3%의 정확도로 성립하고 있음을 밝혔다고 발표했다.
이 성과는 국제 공동 연구팀 'BASE 실험그룹'에 의한 것으로 과학지 Nature에 게재되었다.
소립자물리의 표준이론에서의 미해결 문제 중 하나로, 빅뱅 당시 입자와 반입자가 쌍이 되어 생성되었음에도 불구하고 현재의 우주에는 물질만이 남았고 반물질은 보이지 않는다.
또한 자연계에는 '전자력', '약한 힘', '강한 힘', '중력'이라는 4가지의 힘(상호작용)이 존재하는 것으로 알려져 있지만 표준이론에는 중력이 포함되지 않아 4가지 모두를 통일할 수 없다. 지금까지 물질 간에 작용하는 중력에 대해서는 상세히 연구되어 왔지만 물질과 반물질 간에 작용하는 중력에 대해서는 직접 측정된 예는 없었고 현재 3개의 연구그룹이 반양성자와 양전자로 이루어져 있는 반수소 원자와 지구 중력의 상호작용 측정을 위한 반수소 원자의 자유낙하 실험 준비를 진행하고 있다고 한다.
또한 리켄의 Ulmer 기본적대칭성연구실을 중심으로 한 BASE 실험그룹에서는 사이클로트론을 사용하여 양성자와 반양성자의 특성을 고정밀도로 비교하는 연구를 진행하고 있으며 2015년에는 양성자와 반양성자의 질량 전하비를 1조 분의 69라고 하는 높은 정밀도로 측정하는 데 성공했다(반양성자의 자기 모멘트의 청강 정밀도 측정도 2017년에 성공). 이번 연구는 한층 더 고정밀도로 양성자와 반양성자의 질량 전하비를 구하는 것에 도전하는 것이라고 한다.
측정 정밀도를 올리기 위한 궁리가 더해져 합계 624만 초에 이르는 측정을 실시한 결과 양성자와 반양성자의 질량 전하비가 기존보다 4배 정도 상회하는 1조 분의 16의 정밀도로 일치하는 것이 판명되었다.
또한 양성자의 사이클로트론 주파수 측정에서 보통의 시계가 반양성자의 사이클로트론 주파수 측정으로 반시계를 될 수 있음을 감안하여 계절마다 다른 지구와 태양의 거리에 따라 변화하는 태양으로부터 받는 중력 에너지(태양 중력)가 달라지면 시계의 진행속도도 바뀐다고 일반상대성이론에서는 예측되고 있기 때문에 양성자를 이용한 시계와 반양성자를 이용한 반시계의 움직임을 비교해 약한 등가원리가 성립하고 있는지의 검증도 실시했다. 측정 결과 물질-물질 간 및 반물질-물질 간에 작용하는 중력이 3%의 정밀도로 같다는 것, 즉 약한 등가원리가 3%의 정밀도로 성립하는 것이 나타났다고 한다.
이번 연구성과에 대해 연구그룹에서는 반물질을 포함한 약한 등가원리의 연구에 새로운 연구수단을 제공하는 것이라는 것 외에 '왜 현재의 우주에서 반물질이 사라져 버렸는가'라는 수수께끼의 규명을 향한 한 걸음이 될 것으로 기대된다고 한다.
또한 BASE 실험그룹에서는 양성자와 반양성자를 보다 냉각하는 새로운 기술과 반양성자를 용기에 넣고 전자적인 노이즈가 작은 환경으로 수송하는 기술을 개발 중이며 이것들을 조합함으로써 질량 전하비나 자기 모멘트의 측정 정밀도가 향상될 것으로 기대된다.
또 중력에 대해 이번 연구에서 얻은 3%라는 정밀도는 다른 3개의 연구그룹이 진행하고 있는 반수소 원자를 자유낙하시켜 반물질-물질 간의 중력을 측정하려는 연구가 목표로 하는 정밀도와 같은 정도여서 상보적인 연구라고 할 수 있어서 만약 이번 결과가 반수소 원자의 자유낙하 실험을 진행하고 있는 다른 3개의 연구그룹의 결과와 다르면 완전히 새로운 물리의 개막으로 연결된다고 보고 있다.
출처 참조 번역
- Wikipedia
- 陽子と反陽子の質量電荷比は1兆分の16の精度で一致している、理研などが確認
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20220114-2249379/