CERN에 기반을 둔 ALPHA 프로젝트의 물리학자들은 반물질 입자 스펙트럼의 미세 구조 측정에 대한 첫 번째 데이터를 발표했으며, 이 데이터에서 양자 에너지 준위의 구조에 대한 결론을 도출할 수 있습니다. 이것에서 과학자들은 과학 저널 Nature에 발표 된 기사에서 일반 물질과 유사한 것으로 판명되었습니다.
"물질과 반물질의 속성에서 불일치가 발견되면 표준 모델의 기초가 말 그대로 흔들릴 것입니다. 이러한 측정은 우리가 오랫동안 꿈꿔온 꿈을 실현하고 반물질과 주변 공간의 상호 작용에 대한 일부 측면을 연구하는 데 도움이 되었습니다. 낮은 에너지 수준의 변화"라고 ALPHA 공식 대표인 Jeffrey Hangst는 작업 결과에 대해 언급했습니다.
우주 학자들은 우주에서 생명의 첫 순간에 물질과 반물질이 거의 동일하다고 제안합니다. 전하를 제외하고 입자의 모든 화학적 및 물리적 특성은 동일해야 합니다. 물론 표준 모델이 불완전하거나 잘못되지 않는 한(이 이론은 오늘날 과학에 알려진 모든 기본 입자의 상호 작용 대부분을 설명합니다).
그러나 이것은 물질의 모든 입자와 반물질이 빅뱅 이후 첫 순간에 충돌하고 상호 소멸해야 하기 때문에 서로를 파괴해야 했기 때문에 현실의 존재 자체와 모순됩니다. 따라서 과학자들은 수십 년 동안 논쟁을 벌이며 관찰 가능한 우주에 반물질이 거의 없는 이유를 궁금해했습니다.
많은 물리학자들은 이 수수께끼에 대한 답이 반물질과 물질 입자의 특성, 행동 및 구조의 가장 작은 차이에 있다고 믿습니다. 과학자들은 최근에 그러한 불일치가 예를 들어 양성자와 반양성자 질량에 존재할 수 있다는 많은 힌트를 발견했습니다. 그러나 물리학자들은 아직 그들 중 어느 것도 확인하지 않았습니다.
Hangst와 그의 동료들은 결합하여 단일 반물질 원자를 형성하도록 강제하는 양전자와 반양자에 대한 특수 자기 트랩인 ALPHA-2 기기를 사용하여 수년 동안 그것들을 찾으려고 노력해 왔습니다. 과학자들이 2012년, 2016년 및 2018년에 수행한 이러한 종류의 첫 번째 측정은 빛이 반물질과 물질의 원자에서 전자와 양전자를 여기시키는 방식에 차이가 없음을 보여주었습니다.
반물질의 비밀
새로운 일련의 실험에서 CERN 과학자들은 반물질에 대한 소위 Lamb shift를 처음으로 측정했습니다. 이것은 과학자들이 원자 내에서 두 개의 비에너지 준위인 2s와 2p가 위치하는 위치의 작은 차이라고 부르는 것입니다. 이론에 따르면 그들의 위치는 일치해야하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 그들은 서로에 대해 이동하는 것으로 나타났습니다.
이 간극의 존재는 물질과 반물질의 입자가 양자 수준에서 가상 입자와 반입자 쌍과 끊임없이 상호 작용한다는 사실에 기인합니다. 이것의 흔적은 이론적으로 예측된 에너지 준위가 분할되는 스펙트럼의 좁은 밴드 집합인 원자의 소위 "미세 구조"에서 볼 수 있습니다.
ALPHA 프로젝트 멤버들은 강력한 자기장을 통해 90,000개의 반수소 원자를 통과시킨 다음 자외선 레이저로 조사하고 결과적으로 스펙트럼이 어떻게 변화하는지 관찰함으로써 이 선 세트의 구조를 처음으로 연구했습니다. 과학자들은 이 데이터를 사용하여 반물질의 Lamb shift를 계산하고 수소에 대한 유사한 매개변수와 비교했습니다.
전체적으로 얻은 값은 일반 물질에 대한 측정 및 양자 효과를 고려한 이론적 계산 결과와 일치했습니다. Hangst가 강조했듯이 이러한 데이터는 아직 예비 단계이지만 상수 구조의 측정은 이론의 예측에서 2% 이상, Lamb shift는 11% 이상 벗어날 수 없다고 말할 수 있습니다.
가까운 장래에 ALPHA 회원들은 반수소 원자를 절대 영도에 가까운 온도로 냉각시켜 보다 정확한 측정을 수행할 계획입니다. 과학자들은 이러한 관찰이 마침내 물질과 반물질에 대한 Lamb shift 값이 동일하다는 것을 확인하고 물리학자들이 반양자 반경을 정확하게 측정하는 데 도움이 될 것이라고 기대하고 있습니다.