装填に11時間、観測は数か月
ノースウェスタン大学の物理学者らは、電子の反物質である陽電子をトラップに数か月間保持し、量子状態を1回の遷移ずつ制御した。チームはこの装置を「単一陽電子量子サイクロトロン」と呼ぶ。成果は10月21日、Physical Review Lettersに掲載された。
粒子を所定の位置に収めるのは時間のかかる作業だ。装填には8時間から11時間かかる。トラップは線源から陽電子を捕らえ、通常の物質に触れさせずに冷却しなければならず、触れればガンマ線の閃光とともに消滅してしまうからだ。捕獲後は約0.3ケルビンのほぼ完全な真空中で、電場と磁場の組み合わせによって浮かせて保持される。
極低温ペニングトラップでは陽電子の運動は量子化される。チームは最低次のサイクロトロン状態とスピン状態を分解し、マイクロ波を用いてエネルギー準位を上げ、スピンを反転させ、微小な周波数シフトを監視した。筆頭著者はジェラルド・ガブリエルセ研究室の博士課程学生トーマス・マイヤーズ氏だ。ガブリエルセ氏のグループは同じ手法を単一電子に用い、電子の磁気モーメントを約10兆分の1の精度で測定した。粒子に対してこれまで行われた中で最も精密な測定の一つだ。
これから行われる測定
その比較こそが要点だ。標準模型は、粒子とその反物質が同じ大きさで符号が逆の磁気モーメントを持つと予測する。測定可能な差があればCPT対称性が破れ、宇宙に反物質がほとんど存在しない理由の説明に役立つ可能性がある。新しいトラップはこの検証を可能にするが、まだ実施していない。独立した物理学者らはこの基盤を、完成した成果ではなく強力な探査手段だと評している。
次の段階は、電子の測定を陽電子で繰り返し、2つの数値を並べることだ。その精度は標準的な描像を確認するか、そこに亀裂を開くかのどちらかになる。