[1959 노벨물리학상] 에밀리오 세그레 · 오언 체임벌린 : 양성자의 반물질 파트너를 찾다 — 반양성자 발견으로 반물질의 세계가 열렸다

1955년 버클리의 베바트론 가속기에서 에밀리오 세그레와 오언 체임벌린 팀은 양성자를 구리 타겟에 충돌시켜 반양성자를 찾는 실험을 성공시켰다. 반양성자는 양성자와 질량은 같되 전하는 음전하로 반대인 입자이며, 디랙 이론의 예언을 실험으로 확인한 중요한 순간이었다. 신호는 배타적으로 음전하를 가진 입자, 특정 속도와 체렌코프 조건을 만족하는 후보로 확인되었다.

세그레와 체임벌린의 배경은 이탈리아 로마의 페르미 연구그룹에서 시작된다. 세그레는 팔레르모 대학 교수로 재직하던 시기에 원소 테크네튬을 발견했고, 유대인이라는 이유로 이탈리아를 떠나 버클리에서 연구를 계속했다. 체임벌린은 다트머스에서 공부하고 로렌스 그룹에서 실험 설계와 데이터 분석에 뛰어났으며, 반양성자 탐색 시스템을 정교하게 설계했다.

베바트론은 6.2GeV의 에너지를 내는 당시 세계에서 가장 강력한 가속기로, 반양성자 생산에 필요한 에너지 요건을 충족하도록 설계되었다. 반응에서의 에너지 보존과 입자별 속도 차이를 이용해 반양성자 신호를 식별했고, 체렌코프 복사 여부로 경계선을 더 엄밀히 했다. 이로써 반양성자 발견은 단순한 신호 하나가 아니라 신호 대 잡음비를 극복한 종합적 성과가 되었다.

반물질의 존재는 디랙의 반입자 예언에서 출발하여, 1932년 양전자가 발견된 이후 모든 입자에 대한 반입자 존재가 이론적으로 확정된다. 물질과 반물질이 만나 소멸하며 큰 에너지를 방출한다는 사실은 SF와 현실을 잇는 핵심이다. 다만 현재 기술로는 반물질의 생산과 보관에 많은 에너지가 필요하고 보관도 극히 어려워 실제 연료로 이용하기는 불가능하다.

1959년 노벨 물리학상은 세그레와 체임벌린의 공동 수상으로 확정되었다. 이후 반중성자, 반수소의 발견과 반물질 연구의 확장은 계속되었고, 2011년 ALPHA 실험에서 반수소를 자기장 트랩에 1000초 이상 가두는 데 성공했다. 2016년 이후 반수소의 스펙트럼 측정과 중력 가속도 측정 실험들이 이어지며 반물질의 기본 성질과 우주적 비대칭의 해명을 향한 길이 열리고 있다.

세그레의 테크네튬 발견은 인류가 인공적으로 만든 최초의 원소이며, 의료 분야에서도 테크네튬-99m은 핵의학에서 널리 활용된다. 반양성자 발견과 테크네튬 발견은 망명 과학자가 미국에서 남긴 두 가지 지대하다. 디랙의 반입자 예언에서 시작된 반물질 탐색은 베바트론에서 현재의 LHC에 이르기까지 가속기 기술의 눈부신 발전을 이끌었다.

마지막으로 가속기의 역사와 1959년 노벨상의 의미는 기초과학 연구가 실용기술로 변환되는 과정을 보여준다. 물리학의 보편성은 자연의 언어를 배우는 과정이며, 세그레와 체임벌린의 발견은 오늘날의 의학, 에너지, 정보 기술 등 다양한 분야의 발전에 지속적으로 기여하고 있다.