Nature で数日前に発表された研究では 、 CERN の物理学者チームは、レーザーを使用して反物質原子のエネルギー状態の変化を引き起こすことに成功したと報告しています。
反物質は生成、封じ込め、操作が難しいことで知られているため、この実験は、宇宙で最も神秘的で希少な物質の 1 つである反物質を実験的に操作する科学者の能力の大きな進歩を表しているため、記念碑的です。
特に、科学者たちは、反水素原子にライマン アルファ遷移として知られる現象を引き起こすことに成功しました。ライマン-アルファ遷移は、通常の水素原子における基本的なエネルギー関連プロセスの 1 つであるため、通常の水素原子のように反水素をうまく操作する能力は、「反物質科学の新しい時代を切り開く」と粒子研究者の百瀬隆正氏は述べています。ブリティッシュ コロンビア大学の物理学者であり、レーザーを開発したチームの主任研究者です。 「このアプローチは、反水素を冷却するためのゲートウェイです。これにより、測定の精度が大幅に向上し、反物質と重力がどのように相互作用するかをテストできるようになります。これはまだ謎です。」
このような実験技術の進歩は、物質と反物質の間の基本的な対称性と反対称性を調査するのに役立ち、観測可能な宇宙における不等量の物質と反物質の存在に関する長年の宇宙論的疑問に答える可能性があると考えられています.
物質と反物質
私たちは皆、3 種類の粒子からなる通常の物質に精通しています。正電荷を帯びた陽子、中性電荷を帯びた中性子、および負電荷を帯びた電子です。反物質は、通常の物質粒子と同じ質量で反対の電荷または量子数の粒子である反粒子で構成される物質として定義されます。たとえば、反陽子は通常の陽子と同じ質量ですが、負の電荷を持つ粒子です。
同様に、反電子 (しばしば「陽電子」と呼ばれる) は、電子と同じ質量を持ちますが、正の電荷を持っています。言い換えれば、反物質は通常の物質の一種の鏡像と見なすことができます。サイズと形状は同じですが、他のプロパティが反転されています。実際、物理学者は、反粒子が通常の粒子とまったく同じように結合できるはずであると理論付けており、「反」物質と、反酸素、反水、反メタンなどの化合物のカタログ全体につながっています。
物質と反物質が接触すると、両者は完全に消滅し、質量の 100% がエネルギーに変換されます。対照的に、可能な限り最も効率的な核融合爆弾は、元の反応物質の質量の約 7 ～ 10% しかエネルギーに変換できません。質量エネルギー等価のためのアインシュタインの便利な方程式の使用 E =mc 、たった 1 グラムの物質と 1 グラムの反物質が相互作用すると 0.002 kg 生成されると判断できます。 ×(2.98×10) =~1.8×10 ジュールのエネルギー — およそ43 千トンに相当 TNTの。この高エネルギーポテンシャルにより、反物質は物理学者の関心を集めており、投機的な高エネルギー反物質技術は、何十年にもわたって SF 作家の定番となっています。
宇宙論の方程式が、同量の物質と反物質がビッグバンで生成されたはずであると予測していることを考えると、観測可能な宇宙がほぼ完全に通常の物質で構成されていることは奇妙です.反物質は、太陽フレアや高エネルギー粒子の衝突などの高エネルギー イベント中に生成されることがありますが、これらの反粒子は、通常の物質と接触するとすぐに消滅します。観測可能な宇宙における物質と反物質の非対称性は、物理学における未解決の大きな問題の 1 つです。
レーザーと反物質
ライマン遷移は、水素の電子が低軌道から高軌道に遷移するときに放出される一連の紫外スペクトル線として測定されます。ライマン転移は、自然界で最も基本的なプロセスの 1 つであり、現代の量子論の不可欠な部分を形成しています。一連の正確なタイミングのレーザー バーストを使用することで、チームは反水素原子の陽電子に同様の遷移を引き起こすことができました。
強力な磁場を使用することで、チームは数百個の反水素原子を閉じ込め、真空中に浮遊させることができました。使用されるレーザーは、技術の大きな進歩を表しているため、注目に値します。固体ソースを持ち、ナノ秒の長いパルスを生成することができます。レーザーがそのサイクルを経るにつれて、チームは放出された光子を記録しました。これは、励起された粒子がエネルギー状態を変化させるときの特徴的な放出です。彼らが発見したのは、記録されたスペクトル線の測定値が、標準水素原子の測定値と有効数字 8 桁の精度で一致したことでした。これは、これまでの反物質の特性の最も正確な測定値の 1 つです。研究者らは、2 時間で約 966 個の反水素原子にライマン転移を引き起こすことに成功したと報告しています。
特に、チームは、彼らの新しい技術が CPT 対称性 (電荷反転、パリティ反転、および時間反転が対称であるという基本理論) をテストする方法を提供することを期待しています。つまり、私たちの宇宙の「鏡像」はまったく同じように機能します。 CPT 対称性は、量子力学と相対性理論の両方で暗示されているようですが、いくつかの例外が存在する可能性があります。特に、初期宇宙における反物質に対する物質の普及は、CPT 対称性に違反する何らかのプロセスから生じた可能性があります。必要とされていたのは、物質と反物質の間の対称性と可能性のある非対称性をテストするのに十分正確な方法で反物質を操作する方法です.
チームの次のステップは、正確な質量分析と重力測定に十分な量の冷却された反水素を生成できるように方法を改良することです。このような実験方法の進歩は、物質と反物質の基本的な対称性と非対称性を探求することに長けています。百瀬氏は次のように述べています。「これにより、物理学におけるこれらの大きな問題のいくつかに答えることに少し近づくことができます。」
