反物質粒子1個を数ヶ月間捕捉することに成功

反物質は通常の物質の鏡像の双子である。質量は同じで、電荷は逆である。問題は、反物質の粒子が通常の対応する粒子と出会った瞬間に、両者がエネルギーの閃光とともに消滅してしまうことだ。この対消滅のため、反物質は研究が非常に難しいことで知られている。作ることはできても、ほとんど保持できないのだ。今、米国ノースウェスタン大学のチームが、ほとんど不可能に思えることを成し遂げた。電子の反物質版である陽電子を1個、数ヶ月間にわたって閉じ込め、孤立させたのである。

この研究は10月21日、Physical Review Lettersに掲載された。研究者たちは陽電子を特別に設計されたトラップの中に閉じ込め、物理的に可能な最も低い温度である絶対零度に近い量子状態まで冷却した。その状態では、粒子は通常の物質と接触しなかったため、対消滅することができなかった。マイクロ秒で消える代わりに、それは数ヶ月間生き残り、科学者がその状態を極めて高い精度で制御し観測するのに十分な時間であった。

なぜこれが重要か。宇宙は偏っているからだ。ビッグバンは物質と反物質を等量生成したはずであり、それらは互いを消し去り、光だけが満ちる宇宙を残したはずである。それでも私たちはここに存在し、物質でできている。何かがバランスを傾けたに違いなく、物理学者たちはその答えが物質と反物質の間の微小な違いにあると疑っている。ごく精密な実験だけが明らかにできる違いである。

長寿命でよく制御された陽電子は、その探索のための理想的なプローブである。ノースウェスタン大学のチームは、捕捉された粒子が電子と陽電子の間の対称性を検証するためのこれまでで最も厳密な実験プラットフォームを提供すると述べている。もし両者が完全な鏡像でないなら、つまりその性質がほんのわずかでも異なるなら、この種の実験でそれが現れるはずだ。

この成果はまた、精密物理学の広範な高まりを示している。世界中の研究者たちが測定を新たな極限へと押し進めている。原子核内のエネルギー準位で時を刻む核時計や、かつて測定不可能と考えられていた微弱な信号を検出できる量子センサーなどである。反物質を数ヶ月間捕捉することも同じ流れに属している。単一の粒子を孤立させ、それを非常に注意深く聴く技術である。

物理学の実験室から遠く離れた読者にとって、実用的な利益は遠いものに思えるかもしれないが、精密測定の歴史はそうではないことを示している。単一粒子を捕捉し冷却するために開発された技術は、医療画像、材料科学、そして航法衛星を同期させる時計に取り入れられてきた。反物質のより深い理解は、長期的には、宇宙の最も基本的な構成要素についての私たちの考え方を変える可能性がある。

今のところ、見出しは単純で奇妙だ。私たちの世界と接触すると自らを破壊する物質である反物質の一片が、実験室で数ヶ月間生かされ続けたのである。それは小さなトラップの中の小さな粒子であり、なぜ何かが存在するのかを理解しようとする人類の長い努力における大きな一歩である。