反物質はどれほど簡単にできるのか?

反物質は通常の物質と同じように落ちるのだろうか。CERNの反陽子減速器AD/ELENAで行われている実験は、反水素を使って物理学の基本的な対称性を検証している。反水素とは、1個の反陽子に1個の陽電子が結合したもので、水素原子の鏡像にあたる。その中で、GBAR(「静止した反物質の重力的振る舞い」、Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest)は、地球の重力のもとで反水素がどれだけの加速度で落ちるかを測るために作られた実験だ。

GBARのやり方は一風変わっている。他の実験は、トラップの中で反陽子と陽電子を混ぜて反水素を組み立てる。これに対しGBARは、電子と陽電子からなる風変わりな原子であるポジトロニウム(Ps)との電荷交換を2段階で行う計画だ。

p̄ + Ps → H̄ + e⁻:反陽子が陽電子をつかまえて反水素になる。
H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻:反水素が2個目の陽電子をつかまえて正イオンになる。

このイオンはベリリウムイオンで冷却でき、その後レーザーで余分な陽電子をはぎ取ると、約10マイクロケルビンの反水素原子が残る。自由落下実験に十分なほど冷たい。

確率を知る

共同研究チームは2023年に、基底状態のポジトロニウムを使えば第1段階がうまくいくことをすでに示していた。しかし、その反応がどれほど起こりやすいのかは言えなかった。物理学者が断面積と呼ぶ量で、反陽子が当たらなければならない実効的な標的の面積のことだ。これがわからなければ、実験全体でいくつの原子ができるのか誰にも予測できない。

通常の物質での同等の反応、つまり陽子が陽電子を受け取って水素になる反応は、1997年にメリソン(Merrison)らによって11〜16キロ電子ボルトの範囲で一度測定されただけだった。

小さな空洞での2つのビーム

2023年以降、チームは生成率を10倍に高めた。一方では、小型加速器からの陽電子をトラップに蓄積する。2分ごとの反陽子の2回の発射の間に、約3億個がたまる。そのうち約1億個が、幅約2ミリメートル、長さ約2センチメートルの空洞に届く。空洞の内側は多孔質シリカで覆われており、陽電子の一部をポジトロニウムに変える。1回の発射ごとに、約600万個のポジトロニウム原子からなる、半ば閉じ込められた雲ができる。

もう一方では、ELENAが1200万個の反陽子の束を供給する。GBARはそれを減速させてトラップに捕らえ、電子で冷却したうえで、500万〜600万個の束を4または6キロ電子ボルトで空洞に撃ち込む。タイミングはポジトロニウムの雲を横切るように合わせてある。生成された反水素は電気的に中性なので、まっすぐ飛んで1.6メートル下流の検出器に届く。一方、残った反陽子は偏向されて取り除かれる。

数百個の反原子から、一つの数値へ

陽電子がある場合とない場合の何千回もの発射を比べた結果、検出器は6 keVで379 ± 35個、4 keVで69 ± 19個の反水素原子を数えた。検出器の効率を補正すると、それぞれ約392個と71個になる。関わった反陽子とポジトロニウム原子の数、そして2つのパルスが空間的・時間的にどれだけ重なったかを丁寧に数え合わせると、断面積が得られる。

6.2 keVで**(14.1 ± 1.3) × 10⁻¹⁶ cm²**
4.15 keVで**(8.7 ± 2.4) × 10⁻¹⁶ cm²**(統計的不確かさ。系統的不確かさは論文中で別に示されている)

これは反陽子ビームを使った電荷交換断面積の初めての測定であり、通常の物質による1997年の測定よりも不確かさが小さい。

理論は試験に合格

いわゆるボルン近似にもとづく初期の計算は、互いに食い違っていた。著者らによれば、それも当然だ。重心系での衝突エネルギーは、6 keVでもわずか約6.5電子ボルトにすぎないからである。現代的な2つの手法、収束密結合法(Convergent Close Coupling)とファデーエフ=メルクリエフ方程式は、3体の量子問題を完全に解く。この2つは互いに一致し、チームの報告によれば、新しいデータと「極めてよく一致」している。

次はイオン、そして落下

これはまだ重力の検証ではない。GBARの次のステップは、反水素イオンを作る第2の反応を測定することだ。まずは、ELENAからの負の水素イオンを使い、通常の物質で対応する反応から始める。2つの反応率がそろえば、実験で落とせる超低温原子の数が決まる。それによって、反物質が物質と同じように落ちるかどうかを、どれだけの精度で判別できるかが決まるのだ。