物理学者が1ヶ月間、単一の反物質粒子を閉じ込めることに成功

物理学者が1ヶ月間、単一の反物質粒子を閉じ込めることに成功

反物質は手で掴むことも、通常の実験装置で保持することもできません。反物質が物質と接触すると、互いに消滅してしまうからです。このため、反物質の研究は困難を極めます。しかし今、物理学者たちは、その物質の単一の素粒子を、量子状態を研究できる方法で数ヶ月間閉じ込めることに成功しました。

このトラップを用いたさらなる調査は、なぜ私たちの周りの世界は反物質ではなく物質でできているのかという秘密を明らかにするかもしれません。物事はどちらにでも進み得たはずだからです。

物質のすべての通常の粒子には、反物質の対応物があり、質量は等しく電荷は反対です。トラップを構築するために、物理学者たちはナトリウム22の原子、つまり半減期が約2年半の放射性同位体から始めました。これらの原子の1つが崩壊すると、電子の反物質である陽電子が放出されます。

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「大きな課題は、これらの陽電子を減速させてから捕獲することです」と、プロジェクトを監督したノースウェスタン大学の物理学者、ジェラルド・ガブリエルセ氏は述べています。チームは水曜日にPhysical Review Lettersでその功績を発表しました。

［画像: 6人の物理学者が、物理学実験室にある一連のワイヤーと金属機械の周りに立っている。］

ジェラルド・ガブリエルセ（右上）と彼のチームが、陽電子粒子を1ヶ月間閉じ込めた実験室で。

ジェラルド・ガブリエルセ

最初のステップは、陽電子を冷たいタングステン片の結晶格子を通して送ることです。粒子が材料の中をピンボールのように進むにつれて、それらは減速しエネルギーを失います。「何かにぶつかるたびに、消滅する可能性がありますが、必ずしもそうなるわけではありません」とガブリエルセ氏は言います。「もし最後まで到達すれば、外に出ることができます。」

次に、物理学者たちは電磁場を使用して陽電子をチャネルに沿って誘導します。最終的に粒子は、絶対零度よりわずか0.3度高い真空に到達し、上下を電場、側面を磁場によって閉じ込められます。「反物質を保持したいなら、壁のない容器で保持しなければなりません」とガブリエルセ氏は言います。

この方法により、研究者は孤立した単一の陽電子を1ヶ月間分離して研究することができ、無期限にそうすることが可能になります。

研究者たちは、このトラップを使用して、陽電子の磁気モーメント、つまり磁場の強さと向きを精密に測定する予定です。これを行うために、彼らは2つのことを決定する必要があります。陽電子のスピンの向きを反転させるのに必要なエネルギーと、基底状態から最初の励起状態にジャンプさせるのに必要なエネルギーです。

同様のトラップ設定を使用して、ガブリエルセ氏と彼のチームはすでに電子の磁気モーメントを1兆分の1の精度で測定しています。陽電子についても同様の測定を行うことで、重要な比較が可能になります。「それらが完全に反対の磁気モーメントを持っているかどうかを見ています」とガブリエルセ氏は言います。これは素粒子物理学の標準模型の予測です。しかし、もし両者の値が異なる場合、私たちの宇宙がなぜ物質でできているのかを説明するのに役立つ可能性があります。

ビッグバン直後、科学者たちは、物質と反物質がほぼ同量存在したと考えています。ほとんどの物質と反物質は消滅したはずですが、少量の物質の過剰が何らかの方法で残され、私たちが目にする星や惑星の種となりました。磁気モーメントの測定は、物理学者がこの深遠な不均衡を説明するために物質と反物質の違いを探している多くの領域の1つにすぎません。

「すべての粒子をその反粒子に変換し、物理学を鏡を通して（左右を反転させて）見て、時間の流れを逆転させるために『巻き戻しボタン』を押してください」と、このプロジェクトに関与していないイリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所の理論物理学者、ロニ・ハルニク氏は述べています。「私たちの最も基本的な理論では、物理学は同じままだと言われています。」

もし、例えば陽電子が電子とは異なる磁気モーメントを持つなど、違いがあることが判明した場合、それは物質がどのように勝利したかについてのヒントになります。

「これはエキサイティングな進展です」とハルニク氏は言います。「基本的な対称性をテストできるようになります。」

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