スタートレックのように ファンは知っていますが、反物質は物質の正反対であると考えられているため、2つが接触すると、純粋なエネルギーのフラッシュで互いに消滅します.何十年にもわたる試行錯誤の末、物理学者たちは原子と反原子を正確に比較しました。この 2 つは、わずかな不確実性の範囲内で同じように動作するように見え、複雑な方法で、結果はアルバート アインシュタインの特殊相対性理論の基礎をサポートします。また、物質と反物質のより厳密な比較への道も開かれます。また、この 2 つが正反対ではない可能性もあります。
ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク量子光学研究所の実験物理学者で、水素の精密測定に取り組んでいる Thomas Udem は、次のように述べています。 「信じられないほどの成果だと思います。」この測定は「芸術作品」であると、和光にある日本の理研研究所の実験者である Stefan Ulmer は言いますが、彼も新しい研究には関与していません。
反水素原子は、反陽子に結合した反電子 (または陽電子) で構成されます。 2002 年以来、スイスのジュネーブ近郊にあるヨーロッパの素粒子物理学研究所 CERN でいくつかのグループが反水素を研究してきました。CERN は世界で唯一の主要な反陽子源です。そのような仕事はスタートレックのようなものにはつながらない のワープ ドライブですが、物理学者は、水素原子と反水素原子がまったく同じ質量、スピン、およびその他の基本的な特性を持っているかどうかを判断できるようになる可能性があります。
そうでなければ、その結果は物理学者の基本的な粒子と力の標準モデルを台無しにしてしまうでしょう。この理論は、粒子と反粒子が鏡像対称であることを必要とする一種の数学的対称性を持っています。その対称性を台無しにし、理論を遡ると、アインシュタインの特殊理論の中心的な前提、つまり宇宙に対して静止しているか動いているかを判断する方法がないという基本的な概念が覆されます。したがって、物質と反物質の違いは、すべての現代物理学を再考する必要があります.
物質と反物質の対称性の重要なテストの 1 つは、水素原子と反水素原子によって吸収される光の周波数を比較することです。量子力学によれば、原子は、原子内の電子が低エネルギー状態から高エネルギー状態にホップするときに、特定のエネルギーと色の光子のみを吸収できます。標準モデルによれば、水素と反水素はまったく同じ状態を持ち、まったく同じエネルギーの光子を吸収するはずです.
現在、デンマークのオーフス大学の実験物理学者である Jeffrey Hangst と、CERN の ALPHA 共同研究に参加している 48 人の同僚は、1S と呼ばれる反水素の最低エネルギー状態と 2S として知られるより高いエネルギー状態との間のエネルギー差を正確に測定しました。通常の水素で最も正確に測定された遷移です。
実験者が通常の水素原子で作業していた場合、レーザー光を使用して原子を 2S 状態にブーストし、電場で刺激して蛍光を発させることができたはずです。レーザー周波数を調整して蛍光を最大化すると、正確な遷移エネルギーに到達します。これは、水素の 1S-2S 遷移が、新しい反水素の結果よりも約 1000 倍正確である 100 京分の 4 まで測定された方法です、と Udem は言います。
ただし、ALPHA の研究者は通常、試行ごとに約 40 個の原子をトラップし、検出可能な蛍光を生成するには少なすぎるため、この方法は反水素には機能しません。したがって、彼らは別のスキームに依存しています。量子論の癖のおかげで、1S-2S ジャンプを行うには、反水素 (または水素) が 1S-2S 遷移に必要な半分のエネルギーで 2 つの光子を吸収する必要があります。励起されると、原子は 3 分の 1 を吸収できます 陽電子を完全に剥ぎ取る光子。次に、反陽子はトラップから浮遊して周囲の粒子検出器の配列に入り、そこで消滅して亜原子爆発を生成します。逃げる反陽子を数えることで、研究者はそれらが励起した原子の数を推定しました。
昨年、ALPHA の研究者は、反水素の 1S-2S 遷移の最初の観測を報告しました。現在、彼らはそれが水素の 1 兆分の 2 の範囲内で一致することを示しました。 Nature で研究者が今日報告しているように、吸収線の正確な形状も水素で見られるものと一致します。 . 「私たちは実際に反水素でレーザー分光法を行いました」とHangst氏は言います。 「これは生涯の目標でした。」
ブルーミントンにあるインディアナ大学の理論家、アラン・コステレツキーは、この実験は相対性理論の違反の可能性を 10 から 100 倍に制限するように見えると述べています。 「確かに素晴らしい結果です」と彼は言います。ただし、標準モデル内では、相対性理論の違反はさまざまな形で現れる可能性があり、一部は他の種類の実験によってすでにより厳密に制限されていると Kostelecky は述べています。
Hangst は、ALPHA チームはさらに進んで、現在水素で達成されているものと同じくらい正確に 1S-2S 遷移の測定を行うことができると言います。 「来年ではないでしょうが、10年でもありません」と彼は言います。反水素が実際に水素と異なるかどうかについては、ほとんどの物理学者はおそらくそれは見込みのないことだと考えています。それでもテストする価値はある、と Ulmer は言う。最も単純な比較の 1 つで、Hangst と同僚は、反水素原子が地球の重力下で上向きに「落下」するかどうかを確認したいと考えています。これに賭ける必要はありません。Hangst によると、今年はこのテストを実行できる可能性があります。
