何十年にもわたる努力の末、物理学者は反水素原子 (水素の反物質バージョン) の原子の内部の働きを、原子が吸収する特定の波長の光を初めて測定することで調べました。この進歩により、水素と反水素を正確に比較し、奇妙なことに、特殊相対性理論をテストする道が開かれます。これは、アルバート アインシュタインの 111 年前の理論であり、互いに相対的に移動する観測者に空間と時間がどのように見えるかについてのものです。光より速く動くものはないと言っています
「驚くべき結果です」と、インディアナ大学 (ブルーミントン) の理論家である Alan Kostelecky は言います。何十年もの間、実験者は反水素によって吸収された光のスペクトルを測定することを夢見てきました、と Kostelecky は言います。 「ここです。彼らは今それをやっています。」
水素の原子が陽子に結合した電子で構成されているように、反水素は反陽子に結合した反電子 (または陽電子) です。もちろん、反水素は自然界には存在しません。物質と反物質粒子は互いに消滅するため、反水素は物質に触れるとすぐに消滅します。そのため、物理学者は実験室でそれらを作成する必要があります。それでも、彼らは反水素の特性が水素の特性を正確に反映していると予想しています.
特殊相対論が物質を鏡像化するために反物質を必要とする理由を正確に説明するには、多くの数学が必要です。しかし、一言で言えば、そのミラー関係が正確でなければ、特殊相対性理論の背後にある基本的な考え方は正確には正しくありません.特殊相対性理論は、時空と呼ばれる単一の統一されたものが、互いに相対的に移動する観測者の空間と時間に別々に分割されることを前提としています。どちらの観察者も、誰が実際に動いていて、誰が静止しているのかを判断できないと仮定します。しかし、物質と反物質が互いに鏡像関係にない場合、それは正しくありません。
そのため、物理学者は反水素のスペクトルを測定することを熱望しています。水素原子は、古い波長の光を吸収したり放出したりできません。代わりに、その中の電子がある量子化されたエネルギーレベルから別の量子化されたエネルギーレベルにジャンプするため、特定の異なる波長の光のみを吸収または放出できます。これは、1世紀前に量子力学の発明に拍車をかけたという事実です.相対性理論が正しければ、水素と反水素の波長はまったく同じでなければなりません。
現在、デンマークのオーフス大学の Jeffrey Hangst と、ALPHA-2 と呼ばれる実験を行っている 53 人の物理学者が、反水素中の陽電子が 2 つの特定のレベル (いわゆる 1s レベルと 2s レベル) の間をジャンプする際に、反水素によって吸収される光の波長を測定しました。スイスのメイランにあるヨーロッパの素粒子物理学研究所 CERN で働いていた彼らは、その「スペクトル線」を 100 億分の数分の 1 の精度で測定し、今日 Nature でオンラインで報告しています。 .水素では、その線は 100,000 倍正確に測定されています。それでも、この結果は反水素分光法の始まりを示している、と Hangst は言う。 「私はこの点に到達するために 20 年以上働いてきました。
反水素を作るために、物理学者は電場を使って円筒トラップの両端に約 160 万個の陽電子と 90,000 個の反陽子を閉じ込めました。彼らは、陽電子と反陽子を一緒にして約 25,000 個の荷電していない反水素原子を形成し、それをすぐに磁場で捕らえようとしました。彼らは試行ごとに約14個の原子を引っ掛けました.これは、チームが最初に電波で反水素原子をくすぐった 2012 年に生成した反水素の約 10 倍です。
もし彼らが水素を扱っていたら、物理学者は例えば電気で原子を励起し、それらが放射する光を分析できたでしょう。反水素原子が非常に少ないため、彼らはもっと巧妙なことをしなければなりませんでした。それらは、反物質原子を励起するように調整されたレーザーでトラップを照らしました。励起されると、原子は元の状態に「緩和」することができます。または、別の光子を吸収して陽電子を失うか、陽電子のスピンを反転させるような方法で緩和する可能性があります。最後の 2 つの可能性は、トラップがアトムを保持しないようにアトムを変更します。
その結果、Hangst と会社は、原子にレーザーを 10 分間照射し、トラップに残った原子を数えることで、原子が光を吸収しているかどうかを判断できました。彼らは単にトラップをオフにして、残りの反原子を周囲の粒子検出器に浮かせただけです。 「反水素原子は顔の中で爆発するようなものです」とHangst氏は言います。研究者は、レーザーが陽電子遷移に合わせられた場合と、レーザーが陽電子遷移から離れて調整された場合、または中止された場合のカウントを比較しました。
Kostelecky によると、大まかな最初の測定では、すでに特殊相対性理論がテストされています。 1997 年に、彼は標準モデル拡張 (SME) と呼ばれる理論的枠組みを開発しました。これは、粒子物理学の一般的な理論から始まり、特殊相対性理論の背後にある概念のあらゆる可能な違反を網羅しています。しかし、彼は、粒子には多くの種類があるため、原理の単一の決定的なテストはないと述べています。たとえば、他の物理学者は、K中間子と呼ばれる粒子とその反粒子の質量と寿命を比較しました。しかし、これらの比較は SME のさまざまな部分をテストするものだと Kostelecky 氏は言います。
ALPHA-2 の物理学者は、レーザーの波長を 1 秒から 2 秒への遷移で注意深く掃引することにより、測定値を改善できるとハングスト氏は言う。彼らは他のスペクトル線を測定し、反水素の重力をテストして、それが引き下げられているか押し上げられているかを確認することを計画しています.
