Antimatter atom measured for the first time

Published : Mar 8, 2012 - 14:57 Updated : Mar 9, 2012 - 10:19

Scientists have succeeded in measuring an atom made of antimatter for the first time ever, marking a giant step toward finding out how universe is formed, livescience.com reported Wednesday.

According to scientists all particles of matter have antimatter partners with equal mass and opposite charge. When the two parts meet, they destroy each other and become pure energy.

However, measuring antimatter had been impossible since universe is made of matter.

It is thought that the universe contained equal parts of matter and antimatter just after the Big Bang, which is considered starting point of the universe 13.7 billion years ago. But most of the matter and antimatter destroyed each other early on and left behind a slight surplus of matter that became the stars and galaxies that exist today.

In a new discovery, physicists at Switzerland’s CERN laboratory were able to track down the faintest trace of an antihydrogen atom, the anti-matter equivalent of hydrogen.

Hydrogen is the simplest atom among elements, containing one proton and one electron. Antihydrogen is made up of one antiproton and one positron, the antimatter equivalent of an electron.

After trapping antihydrogen atoms for several minutes by using magnetic fields to keep them suspended in one spot, researchers beamed microwave light at an antihydrogen atom and flipped its spin.

Then, the magnetic orientation of the particle changed, allowing the antiatom to escape and hit the walls of its trap made of matter. As the matter and antimatter collided, both were annihilated leaving behind a detectable mark.

“Precision-wise, it doesn’t compete with (measurement of) matter…but it’s the only one that’s ever been done on antimatter,” said Jeffrey Hangst of Denmark’s Aarhus University, spokesman for the CERN laboratory’s ALPHA experiment

The next step may be applying a more detailed measuring method called spectroscopy. This uses electromagnetic radiation to excite atom’s positron a higher energy level. As the positron returns to its normal energy level, it emits this energy as light. Measurement of the frequencies absorbed and emitted would allow for more accurate observations.

The researchers say if they find small changes between matter and antimatter, they may be closer to solving one of the ultimate cosmic questions concerning what happened to antimatter after Big Bang and why the universe is made up only of its counterpart.

Physicists’ best guess about the difference between two particles is that they behave slightly differently, for example, by decaying at different rates.

From news reports

<관련 한글 기사>

우주 구성의 신비 풀 열쇠, ‘반물질’ 측정

유럽입자물리연구소(CERN) 과학자들이 반물질 원자를 처음으로 측정하는데 성공했다고 라이브사이언스 닷컴이 8일 보도했다.

CERN의 알파(ALPHA: Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) 실험 팀은 분광계를 이용해 반(反)수소 원자의 내부 상태를 처음으로 측정했다고 네이처지 최신호에 발표했다.

연구진은 이번 측정이 매우 정확한 것은 아니지만 우주가 어째서 반물질이 아닌 물질로 이루어져 있는지 이해하는데 필요한 반물질 원자를 측정한 최초의 것이라고 의미를 부여했다.

모든 물질 입자는 같은 질량을 가졌지만 전기적으로 반대인 반물질 입자를 갖고 있을 것으로 추정된다. 둘이 만나면 상쇄돼 순수한 에너지가 된다.

과학자들은 빅뱅으로 우주가 탄생한 직후 우주에는 같은 양의 물질과 반물질이 존재했지만 대부분이 상쇄되고 남은 일반 물질이 오늘날 우주를 구성하는 천체들을 만든 것으로 생각하고 있다.

일반 물질 수소는 우주에서 가장 흔한 원소이지만 그 반물질인 반수소는 매우 희귀한 존재로, 만들기도 어렵지만 붙잡아 두기는 더더욱 어렵다.

그러나 반수소 원자는 한 개의 반양성자 주위를 한 개의 양전자가 돌고 있는 가 장 단순한 구조이다.

알파 연구팀은 지난해 자기장을 이용해 반수소 원자를 한 곳에 몇분동안 붙잡아 두는데 처음으로 성공했다.

연구진은 여기서 더 나아가 특정 주파대의 마이크로파를 반수소 원자에 쬐어 스핀(입자의 고유한 각운동)을 뒤집을 수 있다는 사실을 발견했다. 이로 인해 입자의 자기 방향이 바뀌고 원자를 붙잡고 있던 자기장 덫은 기능을 잃게 된다.

자유로워진 반원자가 날아가 물질로 만들어진 자기장 덫의 벽에 부딪히면 벽의 원자와 충돌해 원자와 함께 소멸하게 되는데 이 때 나타나는 신호를 과학자들이 포 착하게 되는 것이다.

연구진은 “이렇게 측정된 반물질 상태는 정확도에서는 물질과 비교가 안 되지만 최초의 측정이라는 점이 중요하다”고 강조했다.

이 실험에서 입증된 것은 반원자에 빛을 쬠으로써 내적 성질을 바꿀 수 있다는 사실이다.

이는 분광학(分光學), 즉 빛을 매우 좁은 특정 범위의 파장으로 전환시켜 반원자의 양전자를 더 높은 에너지 수준으로 운동시킬 수 있게 만드는 방식을 적용한 최 초의 연구 성과이다.

오늘날 입자 물리학의 최고 가설로 불리는 `표준 모델‘은 수소와 반수소에 정확히 똑같은 스펙트럼이 있을 것으로 예상하고 있다. 이런 가설을 검증하기 위해서 과 학자들은 반수소의 진정한 스펙트럼을 정확하게 측정해야만 한다.

연구진은 물질과 반물질에 다르게 적용되는 새로운 물리학의 법칙을 보여주는 아주 작은 변화를 찾을 수 있다면 근원적인 우주의 난제를 풀 수 있을 것으로 생각하고 있다.

알파 실험팀 대변인 제프리 행스트는 “무언가 빠져 있다는 것을 알고 있다. 빅 뱅 이후 어떤 일이 일어났는지 설명할 수 없다는 것은 우리가 반물질에 관해 완전히 이해하지 못한다는 사실을 말해주는 것”이라고 말했다.

학자들은 물질과 반물질이 붕괴 속도가 다르다든지 하는 식으로 서로 다른방식으로 행동하고 있을 것으로 추측하고 있다. (연합뉴스)