反物質は、ほぼ 1 世紀にわたって物理学者の興味を引きつけ、困惑させてきましたが、反物質に対する重力の影響については意見の相違がありました。新しい研究は、反水素原子（水素の反物質）が物質と同じように重力の影響を受け、斥力的な「反重力」の可能性を排除することを発見し、この議論を解決するかもしれない。
17 世紀、アイザック ニュートンは、リンゴが木から落ちるのを見て、重力理論を思いつきました。数世紀後、アルバート・アインシュタインは一般相対性理論を提案しましたが、これは今でも重力について最も成功し、検証可能な記述となっています。しかし、アインシュタインにとって反物質は未知でした。
1928年、英国の物理学者ポール・ディラックは、すべての粒子には対応する反粒子があるという理論を提唱し、陽電子（または反電子）の存在を予測しました。それ以来、重力と反物質の間の相互作用について多くの憶測がなされており、反物質は重力によって反発されることを示唆するものもあれば、反物質が重力によって引き付けられることを示唆するものもあります。
CERN の反水素レーザー物理施設 (ALPHA) との共同研究による新しい研究は、反水素原子 (水素の反物質に相当するもの) が物質の相当物と同じ方法で地球に落下することを発見し、その議論に決着をつけた可能性があります。
この研究の責任著者であるジェフリー・ハングスト氏は、「物理学では、それを観察することによってのみ、何かを真に理解することができます。これは、反物質の動きに対する重力の影響を直接観察した最初の実験です。これは、宇宙に存在しないように見えるため、依然として謎に包まれている反物質の研究における画期的な出来事です。」と述べた。
ALPHA 実験には、トラップ内で反水素原子を作成、トラップし、研究することが含まれます。反水素原子は電気的に中性で安定した反物質粒子であるため、反物質の重力挙動を研究するのに理想的です。反水素は、反陽子と陽電子という 2 つの反粒子で構成されています。反陽子は、陽子と同じ質量を持ち、負の電荷をもつ亜原子粒子です。
ALPHA チームは最近、ALPHA-g と呼ばれる垂直計測器を構築しました。ここで、「g」は局所的な重力加速度を表し、実質的には 32.2 フィート/秒 (9.81 メートル/秒) です。 ALPHA-gは、反水素原子が対応する物質と出会うとき（消滅として知られるプロセス）、トラップの磁場がオフになると原子が逃げるときの垂直位置を測定できる。
研究者らは一度に約100個の反水素原子のグループを捕捉した。次に、上部と下部のトラップ磁石の電流を徐々に減らして、20 秒かけて原子をゆっくりと放出しました。コンピューターシミュレーションでは、原子の20パーセントがトラップの上部から放出され、80パーセントが下部から放出されると予測されたが、この違いは重力の下向きの影響によって引き起こされる。研究者らは7回の放出実験の結果を平均し、上から下に流れる反原子の比率がシミュレーションと一致していることを発見した。つまり、反水素原子は、水素原子が 1 グラム (通常の重力) の下に落ちるのと同じように落ちます。
研究者たちは、ALPHA-g 装置を使用して、ガリレオの有名な重力実験を効果的に再現しました。伝説によると、イタリアの科学者はピサの斜塔の頂上から異なる重さの鉄球を落とし、それらはすべて同時に地面に衝突し、重力によって異なる質量の物体が同じ加速度で落下することが実証されました。
研究者らは、今回の発見は斥力的な「反重力」の可能性を除外していると述べているが、今回の研究は反物質の重力特性の詳細で直接的な研究の始まりに過ぎない。
ハングスト氏は、「この反原子の作り方、掴み方、重力の影響を受けやすく実際に落とすことができるほどうまく制御する方法を学ぶのに30年かかった」と語った。 「次のステップは、加速度をできるだけ正確に測定することです。物質と反物質が実際に同じように落ちるかどうかをテストしたいと考えています。」
この研究はNature誌に掲載された。 CERN が作成した次のビデオでは、Jeffrey Hangst が ALPHA-g の仕組み、反物質重力実験の原因と結果について説明しています。