反物質の謎が少し解けた

反物質は、普通の物質と同等だが正反対の双子であり、扱いにくい物質である。科学者が反物質の最も単純な原子を作り出し、それを安定に保つことができるようになったのは、ここ 20 年ほどのことである。現在、科学者たちは反水素の内部構造を初めて測定した。

水素は周期表の最初の元素で、1 つの陽子の周りを回る 1 つの電子で構成されています。その鏡像反水素には、1 つの反電子 (陽電子) と 1 つの反陽子があります。陽電子と電子が衝突すると、互いに消滅してエネルギーを放出します。陽子と反陽子の相互作用も同様です。私たちの宇宙は電子、陽子、そしてその 2 つのさまざまな組み合わせで満ち溢れているため、どちらかの反粒子を非常に長い間存在させることは非常に困難です。

これはまさに、物理学者が CERN の反水素レーザー物理学装置 (ALPHA) で取り組んでいる課題です。彼らは磁気ボトルの中に真空を作り、陽電子と反陽子をその中に放り込みます。理想的には、この 2 つが結合して反水素になり、ボトルが反物質を安定に保ち、科学者がそれを研究できるようになります (もちろんレーザーを使って)。

数年前、科学者たちは反水素を15分間閉じ込めた。これはこれまでのどの試みよりも長い時間だ。ALPHAの研究者たちは最新の画期的な成果として、次のミッションの段階に成功した。レーザーを使って反水素の構造を研究したのだ。結果は月曜日のネイチャー誌に掲載された。

「反物質を手に取って実際にこのように研究できるというのは、かつてはSFの世界でした」とALPHAの広報担当者、物理学者のジェフリー・ハングスト氏は言う。「それほど遠くない昔には不可能だと考えられていたことです。ですから、私たちがこれをやっているという事実自体が、私たちにとっては革命的なことです」

ハングスト氏と彼の同僚は、反水素の分光測定を初めて行いました。分光法は、原子の内部構造を明らかにする方法です。私たちは、惑星が恒星の周りを回るのと同じように、電子が原子核の周りを回る様子を思い浮かべがちですが、実際には、電子はいくつかのエネルギー レベルのいずれかで「回る」ことができます。原子に光を当てると、その電子はそのエネルギーを使ってより高いエネルギー レベルにジャンプします。その後、電子は下へジャンプし、その過程でエネルギーを光として放出します。

原子内のエネルギー レベルは一定の距離で配置されているため、電子はジャンプするたびに特定の離散的な量の光エネルギーを吸収して放出します。その量は光の色に反映されます。たとえば、水素原子の孤立電子を基底状態 (最低エネルギー レベル) からそのすぐ上のレベルに励起したい場合、特定の波長の紫外線のレーザー ビームを原子に当てる必要があります。

同じテストを反水素で行うために、ALPHA の研究者たちはまず反水素を作り出して保持する必要がありましたが、これはそれ自体が技術的な偉業です。次に、レーザーを照射する必要がありました。このタイプの分光実験のほとんどでは、1 兆個ほどの物質原子に光を当てることになります。この場合、彼らが扱っていたのはわずか 15 個の反物質原子でした。

「原子が数個しかない場合は、はるかに賢くならなければならず、はるかに困難です」とハングスト氏は言う。また、測定の確実性も低くなる。「ですから、これは単なる第一歩です」と同氏は付け加え、「今後何年もかけて改良していくつもりです」。

今後の研究では、この画期的な成果を基に、反水素のエネルギーレベルを正確に測定することになります。反水素のエネルギーレベルを水素のエネルギーレベルと比較することで、研究者は物質と反物質の違いを正確に理解できるようになります。そして、それが宇宙最大の謎の 1 つである「なぜ私たちはここにいるのか」を解く鍵となるかもしれません。

理論上は、ビッグバンによって同量の物質と反物質が生成されたはずです。そして、2つの物質は接触すると互いに消滅するため、膨大な量のエネルギーを放出して消滅し、空っぽの宇宙が残されたはずです。

「反物質こそが最大の問題だ」とハングスト氏は言う。「どんなに成功しても、宇宙がなぜ生き残ったのかは説明できない」

科学者たちは今や反物質を捕獲して研究する技術を手に入れ、さまざまな面で反物質と物質を比較し始めることができる。ALPHA チームは反水素のエネルギーレベルに加え、反水素が重力にどう反応するかを調べる実験を計画している。

「私たちは適切なタイミングで適切な場所にいます。私たちはこれを実行する方法を学んできました」とハングスト氏は言う。「これは多くの新たな可能性を切り開きます。」