反物質：科学者はとらえどころのない物質を捕獲するためにレーザーを発射します

反物質は宇宙で重要な役割を果たしていると考えられています。 反物質は物質の対応物であり、陽子、中性子、電子の両方のすべての点で同じですが、電荷は反対です。 物理法則についての現在の人間の最良の理解によれば、今日の宇宙は同じ量の物質と反物質で構成されているはずです。

しかし、これまで見てきたことによると、そうではありません。反物質はとらえどころのないものです。現代物理学の大きな問題は、何十年にもわたる探査の後、宇宙には反物質がほとんどないように見えることです。物質と反物質が等しい量で構成される「対称」宇宙をどのように説明できますか？



宇宙の謎を理解するために、物理学者たちは反物質のさまざまな特性を研究するために一生懸命取り組んでいます。彼らは特に、物質と反物質の小さな違いに興味を持っています。これは、観測された非対称性を説明し、既存の物理法則を検証することができます。しかし、反物質の研究は非常に困難です。反物質を生成するには膨大なエネルギーが必要であり、簡単に消えてしまいます。それが私たちの周りの物質と接触すると、それはそれ自体を全滅させます。






スウォンジー大学の物理学教授であるNielsMadsenと、欧州原子核研究機構（CERN）の同僚は、反物質を製造、捕捉、レーザー冷却する方法を開発しました。これにより、研究者がより正確に反物質を作成できるようになります。 set新しい測定方法。これらの実験は、宇宙における反物質の消失の謎を解く上で重要なステップとなる可能性があります。

反物質を作る



物質が原子で構成されているように、反物質は反原子で構成されています。作るのが最も簡単な反原子は反水素です。 1995年にCERNが初めて反水素原子を作成し、2012年に初めて測定に成功しました。反水素原子は、反陽子原子核（物質の対応物は水素）の周りを回転する反電子（陽電子と呼ばれる）で構成されており、宇宙で最も単純な原子構造を持っています。



しかし、反水素原子を作るのは簡単ではありません。この問題を解決するための古典的な高エネルギー物理学の方法は、素粒子衝突型加速器を使用することです。これは、CERNの大型ハドロン衝突型加速器のようなもので、私たちの研究のために巨大な運動エネルギーを多数の素粒子に変換します。粒子加速器は、反陽子を作るために使用することができます。しかし、使用可能な反陽子を作るには、100万個の陽子と、最終的に反陽子に「蓄えられる」エネルギーの少なくとも2600万倍が必要です。したがって、研究者によって生成されたすべての反陽子は非常に貴重です。


液体ヘリウムは電磁トラップ内の反水素原子を冷却するのに役立ちますが、レーザーはさらに温度を下げることができます（出典：Niels Madsen）



十分な反陽子を作成したら、反原子を作成するための反電子（陽電子）が必要です。幸いなことに、陽電子は放射線源から簡単に収集できます。コアマテリアルを収集した後、研究者はそれらを組み合わせるだけで済みます。



研究者たちは、反陽子と反電子を電磁トラップに接触させることでこのステップを達成しました。重要なことに、これらのプロセスは真空中で実行する必要があります。反粒子が機器のいずれかの部分に接触すると、それらは消滅し、接触すると完全に消失するためです。これらすべてのステップの後でのみ、使用可能な反水素原子が形成され、磁場の組み合わせによって真空中で固定されます。

反水素原子を測定する



この状態で、研究者は反水素原子を測定することができます。測定されるのは、反水素原子の2つのエネルギー状態間の重要な原子遷移です。この遷移は、正確な測定に特に適しています。現在、この水素原子の対応物の遷移は、驚くほど小数点以下15桁まで測定できます。
研究者たちは、反水素原子を小数点以下12桁まで正確に測定しました。これは、最も正確な水素測定の1,000倍悪いですが、それでも現在のところ最高の反水素測定です。しかし、反原子運動エネルギーのため、測定における重要な制限は、電磁トラップ内の反原子の動きです。この動きをさらに減らすことにより、測定をより正確にすることができます。研究者たちは、レーザーブラスト反原子実験を通じてこれを初めて達成しました。

レーザー冷却



レーザーの光は光子で構成されており、光子自体に運動量があります。原子が光子を吸収すると、原子の速度がわずかに変化します。この基本原理に従うことにより、レーザービームに含まれる運動量を使用して、捕捉された反原子の運動エネルギーを低減し、それらを絶対零度近くまで冷却することができます。
これは、研究者がレーザーに向かって移動しているときにのみ光子で反原子を打つ必要があります。これは、反原子の速度の一部を実際に相殺するためです。これは、子供のスイング速度を遅くするために力を使用する必要があるのと少し似ています。ブランコに乗って。この指向性レーザー冷却を使用することにより、研究者たちは貯蔵された反水素原子の温度を10分の1に下げることに成功しました。これにより、将来の測定の精度が4分の1に向上する可能性があります。



研究者は、反水素原子に関するより正確な新しいデータを発表するのに十分な測定を完了していませんが、まもなく発表されます。さらに、レーザー冷却技術により、研究者は物質や反物質の多くの測定においてより正確な経路をたどることができ、水素自体のより正確な測定に一歩近づくことができました。



レーザー冷却技術は、反水素原子を測定するための刺激的な可能性を開きます。既存の技術と組み合わせると、比較的多数の反水素原子を蓄積することが可能です（毎日数千の反水素原子を生成することができます）。研究者は、反水素原子の性質と、反物質が宇宙に遍在しているが、とらえどころのない理由を理解するのに役立つ追加の知識についてすぐに学びます。