ノースウェスタン大学の物理学者らは、電子の反物質の双子である単一の陽電子をトラップし、量子状態を一度に一つの遷移として読み取りながら数か月間保持することに成功した。
10月21日にフィジカル・レビュー・レターズに掲載されたこの研究は、初の「単一陽電子量子サイクロトロン」を記述している。物理学教授のジェラルド・ガブリエルス氏がチームを率い、同氏の研究室の博士課程学生トーマス・マイヤーズ氏が筆頭著者である。
反物質の保持が難しい理由
陽電子は通常の物質と出会った瞬間に消滅する。研究するには、減速し、捕捉し、あらゆる表面から遠ざけておく必要がある。チームは放射性崩壊で生成された陽電子を集め、減速させ、単一の粒子をペニングトラップに装填した。これは密閉された真空容器内の電場と磁場の組み合わせである。
装填には8時間から11時間かかる。捕捉されると、粒子は数か月間留まり、それによって繰り返し測定が可能になる。
量子の段階を観測できるほど低温に
希釈冷凍機がトラップを約300ミリケルビン、絶対零度からわずか数分の1度まで冷却した。この温度では陽電子の円運動が最低量子準位に落ち着くため、マイクロ波で上下の各段階を駆動し、周波数の小さな変化として検出できる。
同じ技術を単一電子で完成させるのに、グループは約20年を要した。反物質で行う場合には問題が加わる。粒子が迷い込んだ原子に決して触れないよう真空が十分でなければならず、トラップは調整なしで数か月間安定していなければならない。
これから行われる測定
電子の磁気モーメントは約10兆分の1の精度で測定されており、物理学で最も精密な数値の一つである。ガブリエルス氏は今、陽電子について同じ測定を行い、その後直接比較する計画だ。
この比較はCPT対称性を検証する。電荷、パリティ、時間を反転させたとき、物質と反物質が同一に振る舞うべきという規則である。もし二つの磁気モーメントが異なれば、その差は標準模型を超える物理学を示し、宇宙がなぜ反物質をほとんど残さず物質でできているのかを説明する助けになるかもしれない。
チームはまだそのような差を発見していない。今のところ成果は制御にある。一つの反粒子を、観測できるほど静止させて保持し、これまで存在しなかった測定基盤を手にしたのだ。