反物質実験は絶対零度付近で驚くべき結果を示した

数十年にわたり、研究者たちは新たな物理法則を探求する中で、反物質を研究してきました。これらの法則は、物質が反物質よりも強く有利になる力やその他の現象、あるいはその逆の形で現れると考えられています。しかし物理学者たちは、反物質粒子（よく知られた粒子の電荷が逆の双子であるに過ぎない）が、異なる法則に従うという決定的な兆候も見つかっていないのです。

それは今も変わっていません。しかし、精密な反物質実験を進める中で、あるチームが不可解な発見に遭遇しました。物質と反物質の両方からできたハイブリッド原子は、液体ヘリウムに浸されると、異常な振る舞いをします。ほとんどの原子は液体ヘリウムの波に揉まれて性質が乱れてしまうのに対し、ハイブリッドヘリウム原子はあり得ないほど均一な状態を保っているのです。この発見はあまりにも予想外だったため、研究チームは何年もかけて実験結果を検証し、実験をやり直し、何が起こっているのか議論を重ねました。そしてついに、この結果が真実であると確信した研究チームは、Nature誌に詳細な研究結果を発表しました。

「非常に興奮しています」と、オーストリア科学技術研究所の原子物理学者、ミハイル・レメシュコ氏は述べた。同氏は今回の研究には関わっていない。彼は、この成果が、捉えにくい物質を捕獲し、精査する新たな方法につながると期待している。「彼らの研究コミュニティは、珍しい物質を捕獲するための、より刺激的な可能性を発見するでしょう。」

チル反陽子

原子とその構成要素の特性を測定する方法の一つは、レーザーで原子を刺激し、何が起こるかを観察することです。この技術はレーザー分光法と呼ばれます。例えば、適切なエネルギーを持つレーザービームは、電子を一時的に高いエネルギー準位に押し上げます。電子が元のエネルギー準位に戻るとき、特定の波長の光を発します。「これは、いわば原子の色です」と、分光法を用いて反物質を研究しているマックス・プランク量子光学研究所の物理学者、堀正樹氏は述べています。

理想的な世界では、例えば実験者はすべての水素原子が同じ鮮やかな色で輝いているのを観察できるはずです。原子の「スペクトル線」は、電子の電荷や電子が陽子よりどれだけ軽いかといった自然定数を極めて正確に示します。

しかし、私たちの世界は欠陥だらけだ。原子は激しく動き回り、隣の原子に無秩序に衝突する。絶え間ない衝突によって原子は変形し、電子を乱し、ひいては母原子のエネルギー準位も乱される。歪んだ粒子にレーザーを照射すると、それぞれの原子は独自の反応を示す。集団本来の鮮やかな色彩は、虹のようなにじみの中に消えてしまう。

堀氏のような分光法の専門家は、スペクトル線のこの「広がり」と闘いながらキャリアを積んできました。例えば、原子の衝突が少なくなり、エネルギー準位がより純粋な状態を保つことができる、より薄いガスを用いることが考えられます。

そのため、当時ホリ氏の大学院生だったアナ・ソテル氏の趣味のプロジェクトは、当初直感に反するものに思えました。

2013年、ソテール氏はCERN研究所で反物質実験に取り組んでいました。研究チームは、反陽子を液体ヘリウムに照射することで、物質と反物質のハイブリッド原子を組み立てる計画でした。反陽子は陽子の負電荷を持つ双子で、ヘリウム原子核を周回する電子の代わりに反陽子が時折存在することがあります。その結果、「反陽子ヘリウム」原子の小さな集団が生まれました。

このプロジェクトは、ヘリウム浴槽内での分光法がそもそも可能かどうかを確かめるために設計されたもので、さらに珍しいハイブリッド原子を使用する将来の実験の概念実証となる。

しかし、ソテールは混成原子がヘリウムの温度変化にどのように反応するかに興味を持っていました。彼女は共同研究チームを説得し、貴重な反物質を費やして、徐々に温度を上昇させるヘリウム槽内で測定を繰り返しました。

「これは私の思いつきでした」と、現在スイス連邦工科大学チューリッヒ校の教授であるソテール氏は語る。「反陽子を無駄にする価値があると、人々は納得していませんでした。」

密度が増す流体の中では、ほとんどの原子のスペクトル線は完全に乱れ、おそらく百万倍も広がってしまうところ、フランケンシュタイン原子は正反対のことをした。研究者たちがヘリウム浴の温度を氷点下まで下げていくと、スペクトルのぼやけは狭くなっていった。そして、ヘリウムが摩擦のない「超流体」となる約2.2ケルビン以下では、ヘリウムガスでこれまで観測した中で最も細いスペクトル線とほぼ同じくらい鋭いスペクトル線が観測された。おそらく密度の高い環境からの激しい衝撃を受けているにもかかわらず、物質と反物質の混合原子は、あり得ないほど調和して動いていたのだ。

実験をどう評価すべきか分からず、ソテル氏とホリ氏は結果を待ちながら、何が間違っていたのかを思い巡らした。

「私たちは何年も言い争い続けました」と堀さんは言った。「なぜそうなったのか、私には理解しがたいことでした。」

危機一髪

やがて、研究者たちは何も問題がないと結論づけた。密集したスペクトル線は、超流動ヘリウム中の混成原子が、気体で典型的なビリヤードボールのような原子衝突を起こしていないことを示していた。問題はなぜなのか、という点だった。様々な理論家に相談した結果、研究者たちは2つの可能性にたどり着いた。

一つは、周囲の液体の性質に関わる。研究チームがヘリウムを超流動状態に冷却すると、原子スペクトルは急激に狭くなった。超流動とは、個々の原子が本来の姿を失い、互いに擦れ合うことなく流動できるようになる量子力学的現象である。超流動状態は一般的に原子衝突の強度を弱めるため、研究者たちは、異種原子はわずかな広がりしか示さず、場合によってはごくわずかに狭まる程度だと予想している。「超流動ヘリウムは、原子や分子を浸すことができる既知の物質の中で最も柔らかいものです」とレメシュコ氏は述べた。

超流動ヘリウムがハイブリッド原子を最も孤立的な状態にするのに役立った可能性はあるものの、それだけでは原子の振る舞いがいかに優れていたかを説明することはできない。研究者たちは、ハイブリッド原子の調和性のもう一つの鍵は、反物質成分によってもたらされた特異な構造にあると考えている。

通常の原子では、小さな電子はホスト原子から遠く離れる可能性があり、特にレーザー励起の場合は顕著です。このように束縛が緩​​いと、電子は他の原子に容易に衝突し、その原子の固有のエネルギー準位を乱し（スペクトルの広がりにつながります）、エネルギーの分散を引き起こします。

ソーテル氏と同僚たちが、軽快な電子を動きの鈍い反陽子に置き換えると、原子のダイナミクスは劇的に変化した。質量の大きい反陽子は、外側の電子が守ってくれる原子核の近くに留まり、より安全な場所に留まる。「電子は力場のようなもので、盾のようなものなのです」とホリ氏は言う。

しかし、この大まかな理論は限界がある。研究者たちは、気体から液体、そして超流動へと変化するにつれてスペクトルの広がりが逆転した理由をまだ説明できず、狭まりの程度を計算する方法もない。「予測できなければ、理論とは言えません」と堀氏は言う。「ただの当てずっぽうです」

スーパーツール

その一方で、この発見は分光学の新たな領域を開拓した。

原子が高速で飛び回る低圧ガスでは、実験者が測定できる範囲に限界があります。この激しい動きは、邪魔な広がりをさらに引き起こします。研究者たちは、レーザーや電磁場を用いて原子の速度を落とすことで、この広がりに対抗しています。

原子を液体に浸すのは、原子を比較的静止した状態に保つより簡単な方法です。研究者たちは、粒子を濡らしても必ずしもスペクトル線が破壊されるわけではないことを知りました。そして反陽子は、ヘリウム原子核の周りを周回する可能性のあるエキゾチックな粒子の一種に過ぎません。

堀教授の研究グループは既にこの技術を応用し、「パイ中間子」ヘリウムの製造と研究を行っている。パイ中間子ヘリウムとは、極めて短寿命の「パイ中間子」粒子が電子を置換した状態である。研究チームはパイ中間子ヘリウムの分光測定を初めて行い、 2020年にNature誌に報告した。堀教授は次に、この手法を用いて、パイ中間子のより希少な近縁種であるK中間子と、陽子と中性子の反物質対を制御下に置くことを目指している。このような実験により、物理学者たちはこれまでにない精度で特定の基本定数を測定できるようになるかもしれない。

「これはこれまで存在しなかった新しい機能です」と堀氏は語った。

編集者注: この記事の取材にはナタリー・ウォルチョーバーが協力しました。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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