物理学者が量子トラップで反物質を捕らえ宇宙の謎を解明

もし宇宙のビッグバンが物質と反物質を等しい数だけ創造したのであれば、現存するすべては数十億年前に相互に消滅しているはずである。しかし、私たちの世界は依然として存在している。現在、西北大学の物理学者たちがその理由を見つけたかもしれない。ジェラルド・ガブリエル教授と彼の博士課程の学生トーマス・マイヤーズが率いるチームは、単一の正電子（電子の反物質対応物）を捕らえ、冷却し、「極めて制御された量子状態」に置いた。注目すべきは、これは「正電子量子サイクロトロン」を初めて創造したことである。

正電子の量子制御

通常の物質は電子、陽子、中性子で構成されているが、反物質宇宙は正電子、反陽子、反中性子で構成されている。しかし、反物質の研究は非常に困難である。反物質粒子が通常の物質に接触すると、両者は瞬時に消滅し、エネルギーを放出する。正電子は普通の物質と接触すると即座に破壊されるため、容器に保存することができない。そのため、これらの粒子を研究するには慎重な取り扱いが必要であるが、使用される微量では実際の爆発リスクはない。ガブリエルは、「反物質を研究したいのであれば、慎重に扱う必要がある。明確に言えば、これは危険ではない。」と述べた。

私たちには爆発を引き起こすほどの反物質はない。」

正電子の量子制御

この研究では、物理学者たちは放射性崩壊から単一の正電子を捕らえ、絶対零度に近い温度まで冷却し、磁場と電場を利用して真空内に閉じ込めた。この状態は正電子量子サイクロトロンを創造し、粒子が「人工原子」のように機能することを可能にし、そのエネルギーレベルを正確に制御できるようにした。研究者たちは、ナトリウム-22の放射性崩壊で放出された高エネルギーの正電子を捕らえ、それを減速させ、カスタム設計された電磁トラップに導いた。

一旦内部に入ると、温度は氷点下の300ミリケルビン（絶対零度よりわずかに0.3度高い）に下げられる。正電子はほぼ完璧な真空中に浮遊し、壁に一度も接触しなかった。外部のノイズを排除した後、正電子は最低エネルギー状態に安定し、基本的に人工原子のように振る舞い、科学者たちはそれを数ヶ月間操作できる。ガブリエルは、「私たちはそれを非常に低い温度に冷却し、量子基底状態に入れました。実際にこの非常に速い正電子を誘導し、そこに静止させて数ヶ月間振る舞わせました。」と述べた。

モデルの亀裂を探す

物質と反物質の違いを探る

標準モデルは基本粒子と宇宙の四つの基本的な力のうち三つを説明しているが、物理学者たちはそれが不完全であることを知っている。なぜなら、それは物質が反物質に対して優位である理由を説明できないからである。西北大学の研究者たちは、精密に調整されたマイクロ波パルスを使用して、閉じ込められた正電子の個別の量子遷移を引き起こし、観察する方法を示した。この制御の程度は、正電子の磁気モーメントを極めて正確に測定するのに役立ち、以前の電子の磁気モーメントの測定実験を再現し、精度は十兆分の一に達した。これら二つの測定を比較することで、物理学者たちは物質と反物質の間の微小な違いを探ることができる。

ガブリエルは、「現在の理論では、これら二つの測定の間に違いはないとされています。もし結果が等しくなければ、それは過去一世紀における物理学上の最大の発見となるでしょう。」と述べた。

もしこれら二つの測定の間に違いが現れれば、標準モデルを打破する可能性があり、物質が宇宙の戦いで勝利し、私たちの宇宙が存在する理由を明らかにする手がかりを提供することになる。この研究の結果は10月21日に《Physical Review Letters》に発表された。

正電子研究が物理学に与える影響

この研究は、極端な条件下で反物質を制御する方法を示し、物理学に新たな探求の方向性を提供した。正電子の量子制御は、反物質に対する理解を深めるだけでなく、物質が宇宙を支配する理由を明らかにする可能性がある。もし測定結果が物質と反物質の間に違いを示せば、既存の標準モデルに挑戦し、宇宙の基本構造に対する私たちの認識を変える可能性がある。これらの発見は基礎科学に貢献するだけでなく、将来の技術応用においても深遠な影響を及ぼす可能性がある。