反物質を捕らえるレーザー冷却装置をCERNら研究チームが開発、反物質の研究が飛躍へ

宇宙の成り立ちの謎を解き明かすとして研究が進められている「反物質」は、移動速度が速すぎるため、捕らえて正確に観測することが難しいとされてきました。しかし、新たに欧州原子核研究機構(CERN)の研究グループは、レーザー冷却を用いて反水素原子を10倍以上遅くし、捕捉することに成功したと発表しました。この装置により、物質・反物質の違いがより正確にわかるようになると考えられています。

Laser cooling of antihydrogen atoms | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03289-6

ALPHA cools antimatter using laser light for the first time | CERN
https://home.cern/news/press-release/experiments/alpha-cools-antimatter-using-laser-light-first-time

Antimatter atoms can be precisely manipulated and cooled with lasers | New Scientist
https://www.newscientist.com/article/2273353-antimatter-atoms-can-be-precisely-manipulated-and-cooled-with-lasers/

Physicists give antimatter the chills | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2021/04/physicists-give-antimatter-the-chills/

物理学の法則によると、世界には粒子と対になる反粒子が存在するといわれています。反粒子は素粒子と「質量」「スピン」が等しく、電荷など正負の属性が逆の粒子のこと。ただし、反粒子は存在するものの、誕生した瞬間に粒子と結び付いて消滅するため確認が難しいとされています。

宇宙や世界は粒子によって構成された「物質」でできているため、反粒子によって構成される物質は「反物質」と呼ばれます。物質と反物質の違いを知ることは、宇宙の成り立ちをひもとくとして、長年注目されている分野の1つです。CERNの研究チームは、このような観点から、反物質を捕獲するための特別な装置を開発し続けてきました。

そして2021年3月31日付けでNatureに発表された論文によると、反物質の原子を絶対零度にまで冷やすことで反物質を捕らえ、観測できる装置が開発されたとのこと。

反物質は地球上でも放射性崩壊といった現象で発生します。ただ反物質は大きなエネルギーを持ち非常に動きが速いので、捕らえるのが非常に難しいという問題を抱えています。技術的には反物質を捕らえて大まかな測定することは可能なのですが、動きが速いという性質のため、細かくじっくり観察しようとするとエラーが伴うとのこと。

そこで、「反物質を減速させる装置」の開発が行われることになりました。40年ほど前に光子を使って原子の運動を減速させるレーザー冷却装置がすでに開発されており、今回の装置にも、この技術が適用されたそうです。

CERNの研究グループであるALPHAは反水素原子を使って実験を実施。反水素原子は通常90メートル毎秒で動きますが、適切な波長のレーザーを照射することで原子が冷却され、わずかな減速がみられたとのこと。この照射を繰り返すことで最終的には反原子を10倍以上も遅くすることに成功したと研究チームは述べています。

研究に参加したカナダTRIUMF研究所の藤原真琴氏は、「これは原子に向かってボールを撃っているようなものです。ボールが非常に小さいので衝突による減速も小さくなりますが、何度も繰り返すと最終的に大きな減速が起こります」と述べました。

論文によると、冷却され低速になった反水素により、これまでよりもはるかに正確な測定が可能になったとのこと。この装置の開発がマイルストーンとなり、今後は物質と反物質の細かな違いが明らかになる可能性があると研究者はみています。