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アーティストによる反水素原子の印象 – 負の電荷を持つ反陽子が正の電荷を持つ反電子（陽電子）の軌道に乗り、磁場によって閉じ込められている。 (Graphic by Katie Bertsche) (画像をクリックすると最高の解像度が表示されます)
反物質の原子は、スイスのジュネーブ近郊にある欧州合同原子核研究機構(CERN)で活動する国際的な科学者チームであるALPHAコラボレーションによって、初めて捕捉され保存されました。
ALPHAは、負の電荷を帯びた反陽子1個と正の電荷を帯びた反電子（陽電子）1個の軌道からなる反水素の原子を格納しました。 この反原子の数は、宇宙船エンタープライズ号の物質・反物質反応炉の燃料にするにはあまりにも少なすぎますが、この進歩により、科学者が自然の基本的な対称性を精密にテストできる日が近づいてきました。 反原子を測定することで、反物質の物理学が、現在の世界を支配している通常の物質の物理学とどのように異なるかが明らかになるかもしれません。
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CERNでは8年前に他の2つのチームによって大量の反水素原子が初めて作られました。 というのも、反水素原子は生成後100万分の1秒のうちに通常の物質である実験の壁に触れ、エネルギーや他の粒子に変換されて瞬時に消滅してしまうからです。
「反水素をトラップすることは、反水素を作るよりもはるかに難しいことがわかりました」と、ALPHAチームのメンバーであるジョエル・ファジャンス氏は言います。 “ALPHAでは、1秒間に何千個もの反水素原子を作ることができますが、そのほとんどは “熱すぎる”、つまりエネルギーが強すぎて、トラップに捕まらないのです。
ALPHAの共同研究では、「最小磁場トラップ」と呼ばれる特別に設計された磁気ボトルを使って成功しました。 主な構成要素は八極磁石で、その磁場が反原子をトラップの壁から遠ざけ、反原子が消滅するのを防ぎます。 この八極磁石は、AFRDとカリフォルニア大学の同僚が提案、設計、試験を行い、ブルックヘブンで製作された。
現在オンライン中のNature誌に掲載されているALPHAチームの報告によると、335回の実験を行い、それぞれ1秒間で反原子を生成して保存した結果が報告されています。 この実験は、15分以内の間隔で繰り返し行われた。 この実験では、反水素を生成するために、トラップ内で反陽子と陽電子を混合しました。 トラップの磁石が「クエンチ」されると、閉じ込められていた反原子が放出され、その後の消滅がシリコン検出器で記録された。
38個の実在する反原子の消滅の位置（丸と三角）は、予測された反水素の分布（上段の灰色の点）とは一致するが、模擬的な裸の反陽子の分布（下段の色付きの点）とは一致しない。 帯電した裸の反陽子は、電界の違いによって異なるクラスターに誘導されるが（赤は右バイアス、青は左バイアス、緑はバイアスなし）、反原子は中性であるため、その分布には影響がない。
「反水素を捕捉したことを証明するには、我々の信号がバックグラウンドによるものではないことを立証する必要があります」とFajans氏は言います。
実際の事象とバックグラウンドを区別するために、ALPHAチームは理論計算に基づいたコンピュータシミュレーションを用いて、バックグラウンドの事象が検出器内でどのように分布するかと、実際の反水素の消滅がどのように現れるかを示しました。
反物質からの学び
1928年にポール・ディラックが反電子を理論的に予測したときまでは、反物質の存在は疑われていませんでした。 1932年、カール・アンダーソンが宇宙線の破片から反電子（陽電子）を発見した。
当初、物理学者たちは、反物質と物質が対称的に振る舞う、つまり物理法則に同じように従うはずがないと考えていました。 しかし、そうであれば、ビッグバンでそれぞれが同じ量作られ、相互に消滅して何も残らなかったはずです。
1960年代、物理学者たちは、電荷共役とパリティ（CP）という対称性が破られた場合にのみ可能な方法で崩壊する素粒子を発見しました。 その結果、反物質は通常の物質とは少し異なる振る舞いをするはずだと考えたのだ。 しかし、一部の反粒子がCPに違反していても、時間を遡っていく反粒子は、時間を遡っていく通常の粒子と同じ物理法則に従うはずである。
この仮定を検証する一つの方法は、普通の陽子の周りを回る普通の電子のエネルギーレベルと、反陽子の周りを回る陽電子のエネルギーレベルを比較すること、つまり、普通の水素原子と反水素原子のスペクトルを比較することです。 反水素原子によるCPT対称性の検証は、ALPHA実験の大きな目標です。
反水素の作り方と保存方法
反水素を作るには、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）に陽子を送り込む加速器で、陽子の一部を金属ターゲットに衝突させて反陽子を作り、できた反陽子をCERNの反物質減速機リングに保持させ、反陽子の束をALPHAや別の反物質実験に送ります。
「反陽子を捕まえるのは難しい」とWurtele氏は言う。「反陽子を捕まえるには、1億電子ボルトから5,000万分の1電子ボルトまで冷却しなければならないからです」
ALPHA実験では、反陽子をさらに冷却するために、一連の物理的障壁、磁場、電場、冷たい電子の雲を通過させます。
一方、放射性ナトリウム源の崩壊から生じた低エネルギーの陽電子は、反対側からトラップに取り込まれます。 電荷を帯びた粒子である陽電子と反陽子は、電界と磁界の組み合わせによってトラップ内の別々の場所に保持することができる。
中央の井戸で陽電子と合流するためには、反陽子を振動する電場で慎重に後押ししなければなりません。この電場は、自己共鳴と呼ばれる現象によって、反陽子の速度を制御しながら増加させます。 “
反陽子と陽電子はALPHAトラップの反対側から持ち込まれ、電場と磁場によって保持されます。 これらが一緒になると、電荷のない反原子になりますが、磁気モーメントを持っています。 もしエネルギーが十分に低ければ、最小磁場トラップの八極子磁場と鏡面磁場で保持することができます。
新しい自己共鳴技術は、比較的低エネルギーの反原子を形成するために、反陽子に正確にエネルギーを加えるために不可欠であることがわかりました。 新たに形成された反原子は電荷的には中性ですが、そのスピンと構成要素の反対電荷の分布のために、磁気モーメントを持っています。エネルギーが十分に低ければ、最小磁場トラップの八極磁場と鏡面磁場に捕らえることができます。
1秒間の混合セッションで作られた数千個の反水素原子のうち、ほとんどは保持するにはエネルギーが大きすぎて、トラップの壁に衝突して消滅してしまいます。
ALPHA 38を自由にする
混合とトラップの後、さらに反水素を生成しなかった多くの裸の反陽子を「消去」した後、閉じ込め磁場を生成する超伝導磁石は、わずか9/1000秒の間に突然オフになります。
「ミリ秒のクエンチはほとんど前代未聞です」とファジャンスは言います。 “
「ミリ秒のクエンチはほとんど前代未聞です。 バークレー研究所では、ALPHAマグネットが複数回の急激なクエンチに耐えられることを確認するために、多くの実験を行いました」
クエンチの開始から、トラップされた反水素や、トラップ内に残っている可能性のある裸の反陽子がトラップから脱出するまで、30,000分の1秒の猶予がありました。 この間、宇宙線が実験室をさまよっているかもしれない。 電界を使って荷電粒子をトラップから一掃したり、検出器の一方の端に誘導したりして、実際のデータを、反水素の消滅やそっくりのイベントの候補のコンピュータシミュレーションと比較することで、研究者たちは、少なくとも172ミリ秒（ほぼ10分の2秒）トラップの中で生き残っていた38個の反水素原子を明確に特定することができました。
ファジャンスは、「Natureに掲載された今回の報告は、ALPHAが反水素原子の捕捉に初めて成功したことを示していますが、私たちは反水素原子を捕捉できる数と時間を常に改善しています。 反物質原子を使ったいくつかの種類の実験ができるところまで来ています。 最初の試みは粗雑なものになるでしょうが、これまでに誰もやったことのないものです。”
「Trapped Antihydrogen」ゴーム・アンドレセン、モハマド・デハニ・アシュケザリ、マルセロ・バケロ・ルイス、ウィル・ベルチェ、ポール・ボウ、エオイン・バトラー、クラウディオ・レンツ・シーザー、スティーブ・チャップマン、マイケル・チャールトン。 アダム・デラー、ステファン・エリクソン、ジョエル・ファジャンス、ティム・フリーセン、藤原誠、デイブ・ギル、アンドレア・グティエレス、ジェフリー・ハングスト、ウォルター・ハーディ、マイク・ヘイデン、アンドリュー・ハンフリーズ、リチャード・ヒドマコ、マシュー・ジェンキンス Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, Art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif el Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman So, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele, and Yasunori Yamazaki, is available in advance online publication of Nature.
Berkeley Labは、カリフォルニア大学がDOE Office of Scienceのために管理する、米国エネルギー省の国立研究所です。 ウェブサイトをご覧ください。