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[뉴스에프엔 김익수 기자] 유럽입자물리연구소(CERN)의 과학자들이 세계 최초로 반양성자를 이용한 양자 비트를 성공적으로 구현하며, 반물질 연구에 새로운 전기를 마련했다.
최근 외신에 따르면 CERN의 BASE 실험팀은 반양성자를 전자기 트랩에 가두고, 두 개의 서로 다른 양자 상태 사이를 약 1분간 진동 상태로 유지하는 데 성공했다. 이는 반물질로 구성된 첫 양자 비트(큐비트)의 실현으로, 향후 물질과 반물질의 특성 차이를 전례 없이 높은 정밀도로 비교할 수 있는 가능성을 열어준다.
특히 이번 성과는 자연의 기본 법칙인 ‘전하-패리티-시간(CPT) 대칭성’에 대한 검증을 비약적으로 향상시킬 수 있는 길을 제시했다. CPT 대칭성은 물질과 반물질이 동일한 방식으로 작동한다는 물리학의 핵심 가정 중 하나지만, 실제 우주에는 물질이 압도적으로 많다는 점에서 여전히 큰 미스터리로 남아 있다.
반양성자는 양성자와 질량은 같지만 전하가 반대인 입자로, 양자역학적으로는 작은 막대자석처럼 행동하며 스핀 상태를 가진다. 연구진은 ‘일관성 양자 전이 분광법’을 활용해 반양성자의 자기 모멘트가 전이되는 과정을 제어하고 정밀하게 측정했다. 이 기술은 양자 정보 처리뿐 아니라 우주 기본 법칙 검증에 핵심적인 도구로 평가된다.
양자 간섭 효과는 환경에 쉽게 영향을 받아 ‘디코히어런스’ 현상이 발생하지만, BASE 실험은 단일 반입자의 스핀 상태 전이를 일관되게 유지함으로써 이 한계를 극복했다. 정교한 전자기 트랩을 통해 반양성자에 양자적 ‘푸시’를 가하면서, 이 스핀 큐비트가 동시에 여러 방향을 가리킬 수 있는 양자 중첩 상태를 유지하도록 했다.
이번 실험은 CERN 반물질 공장에서 생산된 반양성자를 페닝 트랩 시스템에 저장한 뒤, 두 번째 트랩에서 스핀 상태를 분석하며 수행됐다. 만약 양성자와 반양성자의 자기 모멘트에 미세한 차이가 존재한다면 이는 CPT 대칭성이 깨졌음을 시사하며, 현재의 입자물리학 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학의 증거가 될 수 있다.
BASE 실험을 주도한 스테판 울머(Stefan Ulmer) 대변인은 “이번 성과는 최초의 반물질 큐비트를 구현했다는 의미를 넘어, 물질과 반물질을 단일 시스템 내에서 동등한 조건으로 정밀 분석할 수 있는 새로운 연구 패러다임을 제시한다”고 평가했다.
BASE 연구팀은 향후 실험 정밀도를 10배에서 100배까지 끌어올릴 계획이다. 특히 도로로 반입자를 옮길 수 있는 새 시스템 ‘BASE-STEP’이 완전 가동되면, 기존보다 훨씬 정제된 자기 환경에서 반양성자를 분석할 수 있어 획기적인 측정 정확도를 기대할 수 있다.
바바라 라타츠(Barbara Latacz) 박사는 “BASE-STEP이 제공할 오프라인 정밀 페닝 트랩 시스템은 기존보다 10배 이상 긴 스핀 일관성 시간을 가능하게 할 것”이라며 “이는 바리온 반물질 연구의 판도를 바꾸는 혁신적인 도약이 될 것”이라고 밝혔다.