반물질의 존재가 20 세기 초에 제안 된 이래로 과학자들은 정상적인 물질과의 관계와 우주에서 둘 사이에 명백한 불균형이 존재하는 이유를 이해하려고 노력해 왔습니다. 이를 위해 지난 수십 년간 입자 물리학 연구는 우주에서 가장 기본적이고 풍부한 원자의 항 입자 인 항 수소 입자에 중점을 두었습니다.
최근까지 과학자들이 항 수소를 생산할 수 있었지만 소멸되기 전에 오랫동안 연구를 할 수 없었기 때문에 이것은 매우 어려웠습니다. 그러나 최근에 발표 된 연구에 따르면 자연, 알파 실험을 사용하는 팀은 항 수소에 관한 최초의 스펙트럼 정보를 얻을 수있었습니다. 20 년의 역사를 가진이 업적은 반물질에 관한 완전히 새로운 연구의 시대를 열었습니다.
요소가 빛을 흡수하거나 방출하는 방법 (예 : 분광법)을 측정하는 것은 물리, 화학 및 천문학의 주요 측면입니다. 과학자들은 원자와 분자의 특성을 분석 할 수있을뿐만 아니라 천체 물리학자가 방출하는 빛의 스펙트럼을 분석하여 먼 별의 구성을 결정할 수 있습니다.
과거에는 우주의 모든 중음 질량의 약 75 %를 구성하는 수소 스펙트럼에 대한 많은 연구가 수행되었습니다. 이것들은 물질, 에너지, 그리고 여러 과학 분야의 진화에 대한 우리의 이해에서 중요한 역할을했습니다. 그러나 최근까지도 항 입자의 스펙트럼을 연구하는 것은 매우 어려웠습니다.
우선, 항 수소를 구성하는 입자들 – 안티 프로톤과 양전자 (anti-electrons)이 함께 모일 수 있도록 포집되고 냉각되어야합니다. 또한, 이들 입자가 정상적인 물질과 접촉하여 소멸되기 전에 이들 입자의 거동을 관찰하기에 충분한 시간을 유지하는 것이 필요하다.
운 좋게도 지난 수십 년 동안 반물질에 대한 연구가 가능한 시점까지 기술이 발전하여 반물질의 물리학이 표준 모델과 일치하는지 또는 그 이상으로 넘어갈 수 있는지 과학자들에게 알릴 수있었습니다. 리버풀 대학교 물리학과의 Ahmadi 박사가 이끄는 CERN 연구팀은 다음과 같이 밝혔습니다.
“표준 모델은 빅뱅 이후 원시 우주에서 동일한 양의 물질과 반물질이 있어야한다고 예측하지만 오늘날 우주는 거의 전적으로 일반 물질로 구성되어 있습니다. 이것은 물리학 자들이 반물질을주의 깊게 연구하여 두 가지 유형의 물질을 지배하는 물리 법칙에 작은 비대칭이 있는지 여부를 확인하도록 동기를 부여합니다.”
1996 년부터이 연구는 CERN Antiproton Decelerator 시설의 일부인 ATHENA (AnTiHydrogEN Apparatus) 실험을 사용하여 수행되었습니다. 이 실험은 안티 프로톤 및 양전자를 포획 한 다음 이들이 결합하여 무수 수소를 형성 할 수있는 지점까지 냉각시키는 역할을 담당했다. 2005 년 이후이 작업은 ATHENA의 후속 제품인 ALPHA 실험의 책임이되었습니다.
ALPHA는 업데이트 된기구를 사용하여 불가피하게 소멸되기 전에 중성 항 수소 원자를 포착하여 더 오랜 기간 동안 보유합니다.이 기간 동안 연구팀은 ALPHA의 자외선 레이저를 사용하여 원자가 수소 원자와 동일한 법칙을 준수하는지 확인하기 위해 분광 분석을 수행합니다. ALPHA 협력의 대변인 Jeffrey Hangst는 CERN 업데이트에서 다음과 같이 설명했습니다.
“레이저를 사용하여 반 수소의 전이를 관찰하고 수소와 비교하여 이들이 동일한 물리 법칙을 준수하는지 확인하는 것은 항상 반물질 연구의 주요 목표였습니다 ... 반양성자 또는 양전자는 하전 입자이기 때문에 이동 및 트래핑이 쉽습니다. 그러나이 두 가지를 결합하면 훨씬 더 포획하기 어려운 중성 안티 하이드 로젠이 생겨서, 안티 하이드 로젠이 약간 자기 적이라는 사실에 의존하는 매우 특별한 자기 트랩을 설계했습니다.
그렇게함으로써 연구팀은 양전자가 가장 낮은 에너지 레벨에서 다음 에너지 레벨로 전이되도록하는 데 필요한 빛의 주파수를 측정 할 수있었습니다. 그들이 발견 한 것은 (실험 한계 내에서) 항 수소 스펙트럼 데이터와 수소의 데이터 사이에는 차이가 없었습니다. 이러한 결과는 항 수소 원자로 이루어진 최초의 스펙트럼 관측치이므로 실험적인 첫 번째 결과입니다.
물질과 반물질을 처음으로 비교할 수있을뿐만 아니라, 이러한 결과는 분 광학적 특성에 대한 반물질의 행동이 표준 모델과 일치 함을 보여줍니다. 특히 CPT (Charge-Parity-Time) 대칭과 일치합니다.
물리학의 기초가되는이 대칭 이론은 물질과 반물질의 에너지 수준이 동일 할 것으로 예측합니다. 연구팀이 설명한대로 :
“우리는 반물질 원자에 대해 최초의 레이저 분광 측정을 수행했습니다. 이것은 저에너지 반물질 물리학에서 오랫동안 추구해온 성과였습니다. 그것은 원자 증명의 광학 스펙트럼을 사용하여 원리 증명 실험에서 심각한 계측 및 정밀 CPT 비교로의 전환점을 표시합니다. 현재 결과는 AD에서 반물질을 이용한 기본 대칭 테스트가 빠르게 진행되고 있음을 보여줍니다.”
다시 말해, 물질과 반물질이 유사한 스펙트럼 특성을 가지고 있다는 확인은 2012 년 iggs 스 보손 (Higgs Boson)의 발견과 마찬가지로 표준 모델이 유지한다는 또 다른 증거입니다. 또한 반물질 입자를 포획 할 때의 ALPHA 실험의 효과를 입증했으며, 이는 다른 항 수소 실험에 도움이 될 것입니다.
당연히 CERN 연구자들은이 발견에 매우 흥분했으며, 그 결과는 매우 의미가 있습니다. 표준 모델을 테스트하는 새로운 방법을 제공하는 것 외에도, 과학자들이 우주에 물질 반물질 불균형이있는 이유를 과학자들이 이해할 수 있도록 먼 길을 갈 것으로 예상됩니다. 우리가 알고있는 우주가 정확히 어떻게되는지 발견하는 또 다른 중요한 단계입니다.
