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反物質の謎に迫れるか? 「反水素」の長時間の閉じ込め成功が意味すること

 水素の反物質の双子である「反水素」を従来より長く閉じ込める方法を、欧州原子核研究機構(CERN)の科学者たちが発見した。この研究により、反物質がどのように物質と対になっているのか、これまで以上に解明できるかもしれない。そして新たな研究課題も浮かび上がってきている。

TEXT BY SOPHIA CHEN

TRANSLATION BY MUTSUMI FUNAYAMA

WIRED(US)

欧州原子核研究機構(CERN)のチームは、反水素を最長24時間まで閉じ込める方法を発見した。PHOTOGRAPH BY CERN
欧州原子核研究機構(CERN)のチームは、反水素を最長24時間まで閉じ込める方法を発見した。PHOTOGRAPH BY CERN

物理学の法則によると、「すべての素粒子には双子というべき反粒子がある」とされており、専門家もそう理解している。例えば、電子、クォーク、ミューオン(ミュー粒子)は、陽電子、反クォーク、反ミューオン(反ミュー粒子)とペアになっている。

それぞれの反粒子は、双子の素粒子と完全に同じ重さで、反対の電荷になっている。双子の素粒子どうしが出合うと、互いを打ち消し合い、そのときにしばしば光を発する。

反粒子が1932年に初めて発見されて以来、その存在はある意味で極めて当たり前のものになっていた。研究者たちは雷雲の稲妻が陽電子を発していることを発見した。その陽電子が近くにある電子と出合うと、ふたつの粒子は互いを打ち消し合う。

バナナは微量の放射性カリウムを含んでおり、75分に1個の陽電子を放出する。この陽電子が電子と接触すると、陽電子と電子はすぐに互いを打ち消し合って、なんの影響も残さない。

「反水素」の新しい性質を計測

反物質については、まだ専門家にもあまりわかっていない。反物質はほんのわずかな光を発しただけで消えてしまうので、何らかの実験ができる時間だけ捕まえておくことが難しいからだ。

ところが、スイスにある欧州原子核研究機構(CERN)の物理学者たちは、ここ20年ほどの間に反物質を誘導し、捕捉し、研究するために、特別な磁石や容器、レーザーを開発してきた。そしてこのほど、ついにもっとよく調べられるだけの長さの時間、反物質を捕まえておくことに成功した。これで反物質がどのように物質と対になっているのか、もっと解明できるかもしれない。

科学誌『Nature』で2月19日に発表されたところによると、CERNの実験プロジェクト「ALPHA」に参加している物理学者たちが、水素原子の反物質である「反水素」の新しい性質を計測した。正の電荷をもつ陽子の核と、その周囲を回る負の電荷をもつ電子からなる水素とは対照的に、反水素は正の電荷をもつ陽電子が負の電荷をもつ反陽子の核の周囲を回っている。

この実験でALPHAの科学者チームは、反水素のスペクトル、つまりこの量子粒子の発する特徴的な光の一部を計測した。放出された光の周波数または色から、反水素の内部の構造、つまり陽電子が反陽子の核の周囲を回るときの軌道などについて知ることができる。

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