CERN での画期的な実験は、反物質が初期宇宙で失われたように見える理由を説明するのに役立つかもしれません。反物質を落とすと、落ちるのか、それとも上がるのか？ユニークな実験室での実験で、研究者たちは単一の反水素原子の下向きの軌道を観察し、明確な答えを導き出しました。反物質は下に落ちていきます。

この画像は、反物質に対する重力の影響を測定するために設計された CERN の ALPHA-g 実験の一部である磁気トラップ内で反水素原子が落下して消滅する様子を示しています。画像出典: 国立科学財団

この発見は、反物質と通常物質の重力引力を確認する一方で、観測可能な宇宙に反物質がほとんど存在しない理由として重力反発を排除するものでもある。

スイスのCERNにある国際反水素レーザー物理施設（ALPHA）共同研究者の研究者らは、本日、その研究結果をNature誌に発表した。

「ALPHAコラボレーションの成功は、大陸や科学コミュニティを超えたチームワークの重要性を示しています」と国立科学財団物理部門のプログラムディレクター、ヴャチェスラフ・“スラヴァ”・ルーキン氏は述べた。 「反物質の特性を理解することは、宇宙がどのように形成されたかを理解するのに役立つだけでなく、反物質に関する知識を体内のがん腫瘍の検出に応用することで多くの命を救う陽電子放射断層撮影法（PET）など、前例のない革新も可能にします。」

反水素レーザー物理施設 (ALPHA) コラボレーションは、物質と反物質の間の基本的な対称性を理解するために反水素原子を使用する CERN の国際グループです。研究者らは、反物質に対する重力の影響を理解することを目的とした実験からの画期的な結果を発表した。画像出典: 国立科学財団

とらえどころのない、変化可能な物質の双子

スタートレックで想像された反物質を燃料とするワープドライブと光子魚雷を除けば、反物質は完全に現実に存在しますが、不思議なことに希少です。

「アインシュタインの一般相対性理論では、反物質は物質とまったく同じように振る舞うべきだと述べています」と、カリフォルニア大学バークレー校のプラズマ物理学者であり、ALPHA共同研究のメンバーでもあるジョナサン・ワーテレ氏は語る。 「多くの間接的な測定は、予想どおり重力が反物質と相互作用することを示しています。」 「しかし、今日の結果が出るまで、反水素が重力場で下降ではなく上昇している可能性を排除するために実際に直接観測を行った人は誰もいませんでした。」

私たちの体、地球、そして科学者が知っている宇宙のほとんどすべてのものは、圧倒的に、酸素、炭素、鉄、周期表の他の元素の原子など、陽子、中性子、電子で構成される通常の物質でできています。

一方、反物質は通常の物質の双子の兄弟ですが、いくつかの反対の性質を持っています。たとえば、反陽子はマイナスの電荷を持ち、陽子はプラスの電荷を持ちます。反電子 (陽電子とも呼ばれます) は正に帯電していますが、電子は負に帯電しています。

Kevin M. Jones は、国立科学財団の物理学部門のプロジェクト マネージャーであり、ウィリアムズ大学のウィリアム エドワード マケルフレッシュ物理学名誉教授です。彼は、反物質とは何か、そして反物質を研究することの全体的な価値について簡単に紹介しました。出典: 国立科学財団

しかし、おそらく実験者にとって最も困難なことは、「反物質は物質と接触するとすぐに爆発する」ことだと、カリフォルニア大学バークレー校のプラズマ物理学者でALPHA共同研究のメンバーであるジョエル・ファジャンス氏は述べた。

物質と反物質の結合質量は、科学者がそれを消滅と呼ぶほど激しい反応で完全にエネルギーに変換されます。

特定の質量において、この消滅は、私たちが知る限り最も集中的なエネルギー放出の形態です。ただし、ALPHA実験で使用される反物質の量は非常に少量であるため、反物質/物質の消滅によって生成されるエネルギーを感知できるのは高感度の検出器だけです。したがって、反物質は非常に慎重に操作しなければ、反物質を失ってしまいます。

ALPHA-g デバイスの磁気トラップ内の反水素原子の概念図。トラップの上部と下部の磁場の強さが弱まると、反水素原子が脱出し、トラップの壁に接触して消滅します。消滅のほとんどはチャンバーの下で起こり、重力が反水素原子を下に引っ張っていることを示唆しています。アニメーション内の回転する磁力線は、反水素原子に対する磁場の目に見えない影響を表しています。実際の実験では磁場は回転しません。出典: Keyi "Onyx" Li/国立科学財団

「反物質爆弾」を投げる」

「大まかに言えば、私たちは反物質を作っており、ピサの斜塔のような実験を行っているのです」とボーテル氏は語った。彼が言及していたのは、彼らの実験のより単純な知的祖先である、同じ大きさで質量が異なる 2 つの物体が同時に落下すると、同じ重力加速度を持つことを実証した 16 世紀のガリレオの実験です (おそらく寓話的に)。 「反物質を運動させて、それが上昇するか下降するかを確認します。」

ALPHA 実験では、ALPHA-g と呼ばれる可変磁気トラップを備えた背の高い円筒形の真空チャンバーに反水素ガスが閉じ込められます。科学者らは、反水素原子が逃げることができ、比較的弱い重力の影響が明らかになるまで、トラップの上部と底部の磁場の強さを弱めました。

各反水素原子が磁気トラップから逃れると、トラップの上または下の空洞壁に衝突して消滅するため、科学者は反水素原子を検出して計数できるようになります。

研究者らは、考えられる誤差を排除するためにトラップの上部と底部の磁場の強さを変えながら実験を十数回繰り返した。彼らは、弱まった磁場の上部と下部で正確にバランスがとれた場合、反水素原子の約 80% がトラップの下で消滅することを観察しました。この結果は、同じ条件下での通常の水素雲の挙動と一致しています。

したがって、重力により反水素原子は下に落ちます。

物質/反物質の謎

カリウムが崩壊するときに放出される陽電子や、バナナに含まれる反物質など、反物質の発生源はそれほど多くありませんが、科学者たちは宇宙で反物質をあまり見ていません。しかし、物理法則によれば、反物質は通常の物質とほぼ同じ量で存在するはずです。科学者はこの難題を再生問題と呼んでいます。

考えられる説明の1つは、ビッグバン中に反物質が通常の物質によって重力で反発されたということだが、今回の新たな発見は、この理論がもはや信頼できるものではないと思われることを示唆している。

「反物質が引かれるのではなく、重力で反発する可能性を排除した」とボーテル氏は語った。 「これは反物質が受ける重力に違いがないという意味ではない」と彼は付け加えた。これを証明できるのは、より正確な測定のみです。

ALPHAとの共同研究の研究者たちは、反水素の性質の研究を続けていきます。重力の影響の測定を改善することに加えて、彼らは分光学を使用して反水素が電磁放射とどのように相互作用するかを研究しています。

量子力学と重力の両方の物理法則によれば、反水素は同じように振る舞うはずであるため、反水素が何らかの点で水素と異なっていれば革命的となるでしょう。ただし、実験してみないとわかりません。