宇宙の反物質は自由に操作できますか？ クライオレーザーはそれをした、またはその本質を明らかにすることができた
Apr 14, 2021
宇宙の神秘的な鏡像である反物質は、製造が難しく、研究も困難です。それを落ち着かせることができるレーザーは、これらすべてを変えることができます。
反物質、現在の問題は何ですか？
現在、反物質の問題は、実際、反物質があまり多くない（見つかっていない）ことです。理由は誰にもわかりません。これらの「反物質」を一から作ると、素手でヒマラヤを登るのと同じくらい難しいでしょう。また、通常の物質と反対に帯電した反物質は、接触すると互いに消滅します。したがって、その製造および保存条件は非常に厳しくなります。ですから、反物質についての真実は、物理学者はそれについてあまり知らないということです。
しかし、彼らは良い理論を思いついた。この理論：本質的には、亜原子粒子の振る舞いを説明する「標準モデル」です。反物質は一般に、物質ができることはすべてできると信じられていますが、一方向に前後に歩く「靴」を履いていて、同じように見えます。 （より正式な用語は「CPT対称性」であり、これは電荷パリティ時間のようなものです。物質を反物質に置き換えて時間を逆にすると、新しい宇宙は現在の宇宙と同じになります。）これは単なる仮説理論です。実験です。検証にはテストが必要ですが、これを観察することはほとんど困難です。しかし、今では彼にとってはるかに簡単になります。 CERNを中心とする科学者の大規模なグループであるスイス素粒子物理学研究所は、反水素（水素反物質）を製造する世界でトップの科学者です。ちょうど先週、彼らはジャーナルNatureに研究結果を発表しました。その結果は、これらの科学者がこれらの反物質をケルビンのほんの一部（絶対零度に近い約-273°C）の低温に凍結できることを示しました。冷たい原子（および反原子）は非常に遅いため、研究が容易になります。
では、科学者はどのようにして反物質を「落ち着かせる」のでしょうか。
原子を冷却するよく知られた方法は、レーザーで原子を減速させることです。これは私たちが思っていたよりも意味があります。物体が動くとき、それは運動エネルギーと熱エネルギーの両方を持っています。レーザーは光でできており、光は光子と呼ばれる素粒子でできています。電磁エネルギーの最小部分である光子には運動量がありますが、質量はありません。光子が適切なエネルギーまたは波長を持っている場合、それは原子に当たる様子をどのように見たいかによって異なります。この原子は光子を吸収し、ある程度のエネルギーを獲得してから放出します。この過程で、原子は反跳力を持ち、少し跳ね返ります。
今、これらの原子は、まるでガスの塊のように動き回っています。これは、ドップラー効果の存在により、レーザーの方向に移動する光とレーザーの方向を離れる光の実際の波長が異なることを意味します。観察者には、光源の波長が外側に伸びると、光源から遠く離れた光源が赤く見えます。それはあなたが卑劣になることができることを意味します。レーザーを調整して、特定の速度で移動している原子（高速原子）のみを押し戻し、これを何度も繰り返してすべてを遅くします。結局、私たちはこれらの反物質を「落ち着かせる」ことができます。
これはすべて、欧州原子力研究グループによって生成された反水素に関連しています。しかし、反水素には多くの問題があります。 「セシウム原子を購入すれば、実際に既製のレーザーを購入してこれを行うことができます」と、CERNの反水素レーザー物理装置の「アルファ」プロジェクトの物理学者兼スポークスマンであるジェフリー・ハンスト氏は述べています。 「しかし、水素は非常に軽いので、必要な光子は真空紫外線にあります。その光は空気中を通過できません。完全に吸収されます。」ここで言及されているレーザーはレーザーポインターの緑色光ではありませんが、目に見えないもの-紫外線。
物理学の観点から、これは非常に悪いです。しかし、研究者は他に選択肢がありません。 「反物質ルビジウムやセシウムを作ることはできません。」カナダ粒子加速器センタートライアンフの研究科学者でアルファカナダチームの責任者である藤原誠は、次のように信じています。 。非常に短い高エネルギーレーザー。」このChillaxatron5000は、121ナノメートルの強力な紫外線を放射し、完全に真空状態で磁気を含む反水素のボトルに光を照射する必要があります。
このように、これは非常に難しいことです。 「水素はレーザーで冷却するのが難しい。主な問題はこれらのいまいましい紫外線レーザーである」とHangst氏は述べた。
その中で、レーザーは一連の異なるタスクを正確に完了する必要があります。 「ドップラーシフトを実行するには、周波数を正確に制御する必要があります」と、ブリティッシュコロンビア大学の化学者兼レーザーメーカーである桃瀬隆正氏は述べています。さらに、冷却に時間がかからないように、レーザーはパルスで十分なエネルギーを出力する必要があります。
しかし、これは不可能ではありません。これらはすべてチームによって構築されています。彼らがそれを反水素に向けて撃ったとき、それは水素のように冷えました。この現象はすでに良い兆候です。
これは、温度計を磁気トラップに挿入できることを意味するものではないことに注意してください。このエネルギーをさまざまな方法で測定します。昨年、同じチームが反水素の分光分析を行い、反水素放出のスペクトルを観察することで反水素を分析しました。動きの遅い原子はより狭いスペクトルを放出し、研究者がレーザー背後の原子を観察すると、これらの冷たい原子によって得られた結果はまったく同じです。彼らはまた、冷却された原子がグループから跳ね返り、コンテナの後壁にぶつかる（つまり、消滅する）のにかかる時間を調べることによって、新しい研究結果をテストしました。これはいわゆる「飛行時間」であり、冷却された原子には時間がかかります。彼らがした。
それらの温度を正確に測定できないのと同じように、反水素原子でレーダーガンを使用することはできません。藤原（真琴）は、反水素は通常毎秒約100メートルの速度で飛ぶのに対し、極低温原子の速度は毎秒約10メートルであると信じています。 「速度が十分に速ければ、通過する原子をほぼ捕まえることができます。」（原子を破壊しますが、全体はまだ非常に強力です。）
この時点で、それが価値があるかどうかを尋ねる理由があります。誰が非常に遅く、非常に冷たい反物質を必要としますか？答えは-物理学者です。カリフォルニア大学サンディエゴ校の物理学者であるクリフォード・スルコは、次のように述べています。 、反水素原子の別のハンドル。これは非常に重要です。新しい可能性を開きます。」
これらの可能性には、反物質が実際に物質の物理学を反映しているかどうかを理解することが含まれます。例として重力を取り上げます。一般相対性理論における等価原理は、重力相互作用は物質が反物質であるかどうかとは無関係であるべきだと言っています。しかし、誰も確かに知りません。 「反水素があり、それを捨てるとどうなるか知りたい」とハンスト（ジェフリー・ハングスト）は語った。
もちろん、あなたは本当にあなたにそれをさせません。この実験は難しいので、重力は実際には「面倒」です。高温ガスは落下せず、跳ね返るだけです。反物質は機械の壁にぶつかって消滅します。 「重力が弱すぎて、何も見えないかもしれません。」
しかし、反水素の速度を絶対零度近くまで遅くすることにより、反水素は気体というよりも液体のように見え始めます。ガスのようにどこにでもスプレーするのではなく、液体のように見え始めます。 「私たちが最初に知りたいのは、反水素が下がるのかということです。反水素が上がるというクレイジーなフリンジ理論があるためです。理論家は、物質と反物質の間に反発する重力があると信じています。しかし、これは多すぎます。魔法です。 」ハンスター（ジェフリー・ハングスト）は言った。
物理学者は、反水素が「シュレディンガーの猫」のようなものであるかどうかを確認するために、実際にはレーザー冷却を必要としません。それは非常にばかげているでしょう。 「しかし、ほとんどの理論家のように、反水素が落ちると仮定した場合、あなたは尋ねたいと思います、それは本当に同じように落ちるのでしょうか？」ハンスト（ジェフリー・ハングスト）は尋ねました。ここでは、重力による加速度を正確に測定することは短期間のゲームであり、レーザー冷却によって可能になる可能性があります。
さらに、より多くの分光法も研究中です。動きの速い原子の場合、これを行うのは困難ですが、速度が遅い場合、Alphaチームは反水素と水素のスペクトルを比較できます。それらの小数点以下の桁数は同じである必要があります。しかし、そうでない場合はどうなりますか？これは新しい物理学の標準模型の違反です。
研究チームはまた、水素の2つの特定のエネルギーレベルの違いなど、より微妙な物質を研究することを望んでいます。この難しい数であるラムシフトは、反水素と水素で同じであるはずです。同様に、それが正しいかどうかは誰にもわかりません。これらの答えのいずれかが、この記事の冒頭で述べたより大きな質問に戻る可能性があります。では、なぜ宇宙はほぼ完全に重要であり、反物質ではないのですか？誰もこれを知りませんが、反物質を詳しく見ると説明に役立つかもしれません。結局、研究者は反水素原子をより安定した反水素分子、一種の水素反分子に組み合わせることができるかもしれません。その後、いつの日か、水素対イオン、または（誰かが他の反物質元素を作る方法を発明した場合）より大きく、よりスペクトル的に興味深い反分子が存在する可能性があることを願っています。
特定の理論を実際にテストするこの機会は、実験物理学ではあまり頻繁に発生しません。しかし、これが始めるための最良の動機です。 CERN粒子加速器は、大規模な改修プロジェクトのため、2018年にオフラインになりました。新しい王冠の大流行により、プロジェクトの再開が遅れました。しかし、今年の反物質研究は「レーザー」に照らされています。 「水素でできるとは想像できないことはありません。これは常に信頼性のギャップでした。水素で何ができるかをいつ証明するのでしょうか？」ハンスト（ジェフリー・ハンスト）は、「専門家は今や同意すると思います。必要な温度を取得するためのデータがあります。システムの影響を研究するための再現性があります。」彼は重力実験が8月に始まることを期待しています。フォローアップの進捗状況を待ちましょう。
反物質、現在の問題は何ですか？
現在、反物質の問題は、実際、反物質があまり多くない（見つかっていない）ことです。理由は誰にもわかりません。これらの「反物質」を一から作ると、素手でヒマラヤを登るのと同じくらい難しいでしょう。また、通常の物質と反対に帯電した反物質は、接触すると互いに消滅します。したがって、その製造および保存条件は非常に厳しくなります。ですから、反物質についての真実は、物理学者はそれについてあまり知らないということです。
しかし、彼らは良い理論を思いついた。この理論：本質的には、亜原子粒子の振る舞いを説明する「標準モデル」です。反物質は一般に、物質ができることはすべてできると信じられていますが、一方向に前後に歩く「靴」を履いていて、同じように見えます。 （より正式な用語は「CPT対称性」であり、これは電荷パリティ時間のようなものです。物質を反物質に置き換えて時間を逆にすると、新しい宇宙は現在の宇宙と同じになります。）これは単なる仮説理論です。実験です。検証にはテストが必要ですが、これを観察することはほとんど困難です。しかし、今では彼にとってはるかに簡単になります。 CERNを中心とする科学者の大規模なグループであるスイス素粒子物理学研究所は、反水素（水素反物質）を製造する世界でトップの科学者です。ちょうど先週、彼らはジャーナルNatureに研究結果を発表しました。その結果は、これらの科学者がこれらの反物質をケルビンのほんの一部（絶対零度に近い約-273°C）の低温に凍結できることを示しました。冷たい原子（および反原子）は非常に遅いため、研究が容易になります。
では、科学者はどのようにして反物質を「落ち着かせる」のでしょうか。
原子を冷却するよく知られた方法は、レーザーで原子を減速させることです。これは私たちが思っていたよりも意味があります。物体が動くとき、それは運動エネルギーと熱エネルギーの両方を持っています。レーザーは光でできており、光は光子と呼ばれる素粒子でできています。電磁エネルギーの最小部分である光子には運動量がありますが、質量はありません。光子が適切なエネルギーまたは波長を持っている場合、それは原子に当たる様子をどのように見たいかによって異なります。この原子は光子を吸収し、ある程度のエネルギーを獲得してから放出します。この過程で、原子は反跳力を持ち、少し跳ね返ります。
今、これらの原子は、まるでガスの塊のように動き回っています。これは、ドップラー効果の存在により、レーザーの方向に移動する光とレーザーの方向を離れる光の実際の波長が異なることを意味します。観察者には、光源の波長が外側に伸びると、光源から遠く離れた光源が赤く見えます。それはあなたが卑劣になることができることを意味します。レーザーを調整して、特定の速度で移動している原子（高速原子）のみを押し戻し、これを何度も繰り返してすべてを遅くします。結局、私たちはこれらの反物質を「落ち着かせる」ことができます。
これはすべて、欧州原子力研究グループによって生成された反水素に関連しています。しかし、反水素には多くの問題があります。 「セシウム原子を購入すれば、実際に既製のレーザーを購入してこれを行うことができます」と、CERNの反水素レーザー物理装置の「アルファ」プロジェクトの物理学者兼スポークスマンであるジェフリー・ハンスト氏は述べています。 「しかし、水素は非常に軽いので、必要な光子は真空紫外線にあります。その光は空気中を通過できません。完全に吸収されます。」ここで言及されているレーザーはレーザーポインターの緑色光ではありませんが、目に見えないもの-紫外線。
物理学の観点から、これは非常に悪いです。しかし、研究者は他に選択肢がありません。 「反物質ルビジウムやセシウムを作ることはできません。」カナダ粒子加速器センタートライアンフの研究科学者でアルファカナダチームの責任者である藤原誠は、次のように信じています。 。非常に短い高エネルギーレーザー。」このChillaxatron5000は、121ナノメートルの強力な紫外線を放射し、完全に真空状態で磁気を含む反水素のボトルに光を照射する必要があります。
このように、これは非常に難しいことです。 「水素はレーザーで冷却するのが難しい。主な問題はこれらのいまいましい紫外線レーザーである」とHangst氏は述べた。
その中で、レーザーは一連の異なるタスクを正確に完了する必要があります。 「ドップラーシフトを実行するには、周波数を正確に制御する必要があります」と、ブリティッシュコロンビア大学の化学者兼レーザーメーカーである桃瀬隆正氏は述べています。さらに、冷却に時間がかからないように、レーザーはパルスで十分なエネルギーを出力する必要があります。
しかし、これは不可能ではありません。これらはすべてチームによって構築されています。彼らがそれを反水素に向けて撃ったとき、それは水素のように冷えました。この現象はすでに良い兆候です。
これは、温度計を磁気トラップに挿入できることを意味するものではないことに注意してください。このエネルギーをさまざまな方法で測定します。昨年、同じチームが反水素の分光分析を行い、反水素放出のスペクトルを観察することで反水素を分析しました。動きの遅い原子はより狭いスペクトルを放出し、研究者がレーザー背後の原子を観察すると、これらの冷たい原子によって得られた結果はまったく同じです。彼らはまた、冷却された原子がグループから跳ね返り、コンテナの後壁にぶつかる（つまり、消滅する）のにかかる時間を調べることによって、新しい研究結果をテストしました。これはいわゆる「飛行時間」であり、冷却された原子には時間がかかります。彼らがした。
それらの温度を正確に測定できないのと同じように、反水素原子でレーダーガンを使用することはできません。藤原（真琴）は、反水素は通常毎秒約100メートルの速度で飛ぶのに対し、極低温原子の速度は毎秒約10メートルであると信じています。 「速度が十分に速ければ、通過する原子をほぼ捕まえることができます。」（原子を破壊しますが、全体はまだ非常に強力です。）
この時点で、それが価値があるかどうかを尋ねる理由があります。誰が非常に遅く、非常に冷たい反物質を必要としますか？答えは-物理学者です。カリフォルニア大学サンディエゴ校の物理学者であるクリフォード・スルコは、次のように述べています。 、反水素原子の別のハンドル。これは非常に重要です。新しい可能性を開きます。」
これらの可能性には、反物質が実際に物質の物理学を反映しているかどうかを理解することが含まれます。例として重力を取り上げます。一般相対性理論における等価原理は、重力相互作用は物質が反物質であるかどうかとは無関係であるべきだと言っています。しかし、誰も確かに知りません。 「反水素があり、それを捨てるとどうなるか知りたい」とハンスト（ジェフリー・ハングスト）は語った。
もちろん、あなたは本当にあなたにそれをさせません。この実験は難しいので、重力は実際には「面倒」です。高温ガスは落下せず、跳ね返るだけです。反物質は機械の壁にぶつかって消滅します。 「重力が弱すぎて、何も見えないかもしれません。」
しかし、反水素の速度を絶対零度近くまで遅くすることにより、反水素は気体というよりも液体のように見え始めます。ガスのようにどこにでもスプレーするのではなく、液体のように見え始めます。 「私たちが最初に知りたいのは、反水素が下がるのかということです。反水素が上がるというクレイジーなフリンジ理論があるためです。理論家は、物質と反物質の間に反発する重力があると信じています。しかし、これは多すぎます。魔法です。 」ハンスター（ジェフリー・ハングスト）は言った。
物理学者は、反水素が「シュレディンガーの猫」のようなものであるかどうかを確認するために、実際にはレーザー冷却を必要としません。それは非常にばかげているでしょう。 「しかし、ほとんどの理論家のように、反水素が落ちると仮定した場合、あなたは尋ねたいと思います、それは本当に同じように落ちるのでしょうか？」ハンスト（ジェフリー・ハングスト）は尋ねました。ここでは、重力による加速度を正確に測定することは短期間のゲームであり、レーザー冷却によって可能になる可能性があります。
さらに、より多くの分光法も研究中です。動きの速い原子の場合、これを行うのは困難ですが、速度が遅い場合、Alphaチームは反水素と水素のスペクトルを比較できます。それらの小数点以下の桁数は同じである必要があります。しかし、そうでない場合はどうなりますか？これは新しい物理学の標準模型の違反です。
研究チームはまた、水素の2つの特定のエネルギーレベルの違いなど、より微妙な物質を研究することを望んでいます。この難しい数であるラムシフトは、反水素と水素で同じであるはずです。同様に、それが正しいかどうかは誰にもわかりません。これらの答えのいずれかが、この記事の冒頭で述べたより大きな質問に戻る可能性があります。では、なぜ宇宙はほぼ完全に重要であり、反物質ではないのですか？誰もこれを知りませんが、反物質を詳しく見ると説明に役立つかもしれません。結局、研究者は反水素原子をより安定した反水素分子、一種の水素反分子に組み合わせることができるかもしれません。その後、いつの日か、水素対イオン、または（誰かが他の反物質元素を作る方法を発明した場合）より大きく、よりスペクトル的に興味深い反分子が存在する可能性があることを願っています。
特定の理論を実際にテストするこの機会は、実験物理学ではあまり頻繁に発生しません。しかし、これが始めるための最良の動機です。 CERN粒子加速器は、大規模な改修プロジェクトのため、2018年にオフラインになりました。新しい王冠の大流行により、プロジェクトの再開が遅れました。しかし、今年の反物質研究は「レーザー」に照らされています。 「水素でできるとは想像できないことはありません。これは常に信頼性のギャップでした。水素で何ができるかをいつ証明するのでしょうか？」ハンスト（ジェフリー・ハンスト）は、「専門家は今や同意すると思います。必要な温度を取得するためのデータがあります。システムの影響を研究するための再現性があります。」彼は重力実験が8月に始まることを期待しています。フォローアップの進捗状況を待ちましょう。