反物質はサイエンス フィクションのようなものです。粒子が反粒子に出会うと、両方とも消滅して消滅し、エネルギーを放出します。しかし物理学者にとって、本当の謎はその出会いではなく、もっと深い疑問です。 宇宙がビッグバンで誕生したのなら、なぜ宇宙は主に物質で構成され、同量の物質と反物質が消滅してもエネルギーに戻らないのでしょうか?
この非対称性に関する手がかりを探すために、米国のノースウェスタン大学のチームは、 単一の陽電子（電子の反粒子）を捕捉し、それをほぼ絶対零度まで冷却し、その量子状態を制御することに成功した。その結果は、 物理的なレビューレター、電子の磁気特性とそれに対応する反物質の磁気特性との正確な比較に向けた一歩を構成します。
研究のリーダーはジェラルド・ガブリエルス氏で、素粒子を驚異的な精度で研究する技術の開発に数十年を費やしてきた。あなたのチームは次のことを達成しました 陽電子は通常の物質との接触を防ぐトラップの中に数か月間閉じ込められたままになる。これは従来の容器ではありません。粒子は、消滅の原因となる壁や表面に触れることなく、電場と磁場によって真空中に浮遊します。
「反物質を研究したいなら、反物質を注意深く扱わなければなりません。」とガブリエルセは説明する。この言葉は爆発を連想させるかもしれないが、実験で使用された量はその危険性を表すには少なすぎると科学者は強調する。課題は、大量のエネルギーを蓄えておくことではなく、単一の粒子を隔離した状態に保ち、その挙動を習得することです。
陽電子もじっとしているつもりでは研究室に到着しません。ガブリエルセは、これらの反粒子を高エネルギーで放出する不安定な同位体であるナトリウム 22 の放射性崩壊からそれを取得しました。 まず彼を止めて罠に追い込む必要がありました。その後、環境は絶対零度よりわずか 0.3 度高い約 300 ミリケルビンまで冷却されました。、熱の動きが最小に達する限界温度。
このような条件下で、ガブリエルセのチームは、陽電子をその基本的な量子状態、つまり系内で占めることができる最低のエネルギーレベルにすることに成功した。物理学者はこの装置を次のように説明しています 「量子陽電子サイクロトロン」: 粒子が、操作および測定できる定義されたエネルギーレベルで、ある点では人工原子のように動作するシステム。
そうするために、ガブリエルセのチームは正確に調整されたマイクロ波を適用しました。微量のエネルギーを供給することで、量子状態間の遷移を引き起こし、粒子の応答を検出することができました。このコントロールは、最終的な目的のために不可欠です。 陽電子の磁気モーメントを非常に高い精度で測定し、電子の磁気モーメントと比較する。 磁気モーメントを知ることを可能にするのは、粒子が磁場にどのように反応するかであり、粒子の基本的な特性の 1 つを構成します。この比較には特別な価値があります。 素粒子物理学の標準モデルは、電子と陽電子が鏡像のように振る舞うはずだと予測しています。：それらは同じ質量で反対の電荷を持っており、それらの磁気特性は非常に正確な関係を持っている必要があります。
ガブリエルセ氏のチームは以前、同様のトラップを使用して電子の磁気モーメントを約10兆分の1の精度で測定しており、これは素粒子に関してこれまでに行われた中で最も正確な測定の1つである。今、彼は意図しています 陽電子と同等の技術を適用し、両方の結果に直面します。 したがって、新規性は物質と反物質の違いが実証されたということではなく、それを非常に正確に探索するツールが用意されたということである。
潜在的な不一致がなぜ重要なのでしょうか? 標準モデルは数え切れないほどの実験テストに合格しましたが、自然の完全な説明を提供するものではありません。 その大きな未解決の問題の中には、観測可能な宇宙における物質の優位性があります。電子と陽電子の性質が理論の予測と一致しない場合、物理学者は何か根本的なものを修正する必要があるという兆候を示すでしょう。それは宇宙の不均衡を自動的に説明するものではありませんが、予期せぬ手がかりを提供するでしょう。
今のところ、対称性は理論上の予測のままです。この実験では、既知の法則に亀裂は見当たりませんでした。反物質粒子を何か月も捕らえ続けることに成功し、その量子状態を制御し、検出することができました。 次のステップは、電子の磁性と比較するために必要な精度でその磁性を測定することです。
「もしそれらが同じではないことが判明すれば、それは前世紀の物理学における最大の発見となるでしょう – ガブリエルス氏は付け加えます -。私たちは、標準模型が何らかの側面で間違っているか、少なくとも不完全であるに違いないことを知っています。たとえば、標準模型では宇宙が存在する理由を説明できません。したがって、これはかなり重要なギャップです。私たちは非常に正確に調査しています。」 理論がどこで失敗しているかを発見するための最も基本的で単純なシステム。私たちは明確な答えが見つかることを願っています”。
