37■海外通信

CERN における ALPHA 反水素実験
Confronting CPT with Cold Trapped Antihydrogen
TRIUMF - Canada’s National Laboratory for Particle and Nuclear Physics

藤 原

真 琴

Makoto.Fujiwara@triumf.ca
2008 年 6 月 1 日

1.

はじめに

「水素原子がすっかり分かってしまったら，物理全体がすでの反水素は低速ながらも，すぐ壁に当たって消滅していた。ALPHA の目標は精密分光を可能にするために，反水素を定常的にトラップすることにある。

っかり分かってしまったのも同然だ」と Weisskopf が言っ

本稿では反水素の生成から，反水素トラッピングに向けたという逸話がある[1]。確かに（とりあえず今のところ正た最近の反水素研究の状況を CERN における ATHENA と体の分からない暗黒物質と暗黒エネルギーを別とすると），「海外通信」というこ
ALPHA 実験を中心として解説する。

水素はわれわれの住む宇宙のもっとも豊富な構成要素であとで研究事情なども織り交ぜていく。

り，第ゼロ近似としてはこの説は正しいのかもしれない。
実際，水素原子はもっとも精度よく調べられている系のうちの一つでありわれわれは実に多くのことをこのもっともシンプルな原子から学んできた。

2.

CPT 対称性の検証

反水素研究の動機は，原子物理からプラズマ物理など，

では，水素の反物質である反水素を作って調べれば何が多岐にわたるが，ここでは素粒子物理の側面を議論する。

分かるのか？ もちろん新しいモノができれば，その基本的さらに詳しくは，最近の解説[5]を参照されたい。素粒子の性質（色，重さ，臭い，味？）を知ることがまず重要であ

標準理論は物理現象の記述に輝かしい成功を収めてきたが，ることは論を待たない。しかし，もし大量の反水素をトラ

これが究極の物理法則だと信じる人は多くはない。自然のップし，さらにその性質を精密に測定することができれば，対称性を調べることが新しい物理を探る上で有効な戦略で物理法則のもっとも根本的な対称性の一つである CPT（荷あることは歴史が教えるところであるが，特に CPT 対称性

電共役・パリティ・時間変換）の精密検証が可能になるのは CPT 定理[6,7]において保証され，物理法則の離散的対称である。

性のなかでも特別の位置を保つ。定理の前提となる条件が，最初の反水素原子の生成は 1995 年に CERN の LEAR 施

場の量子論におけるユニタリティ，ローレンツ対称性，局設で報告された[2]。1997 年には Fermilab で同様の報告がな

所性，スピン統計など，極めて根本的なものだからである。

されている[3]。これらの少数の反水素は高速に近い速度で故にたとえば EDM（電磁双極子能率）や，レプトンにおけ生成されたため，精密測定には適さない。CERN は LHCる CP の破れの探索など，標準理論を超えるが通常の場の建設に資源を集中するため LEAR の運転を中止したが，理論の枠内で許容可能な対称性の破れの探索とは意を異に1999 年に日本を中心とした諸国の貢献により，反物質研究する。CPT 検証は（有効）場の理論自体をふくむ，物理のに特化した AD（Antiproton Decelerator）施設が建設され根本原則を検証するのである。当然ながら可能性の問題とた。2002 年に ATHENA 実験はハーバード大率いる同じく

しては，場の理論のこれまでの成功を考えると，CPT 保存

AD で走る ATRAP 実験との数年にわたる激しい競争の末，の前提となる原理が間違っている可能性は小さい。しかし，初めて「冷たい」反水素（cold antihydrogen）をつくるこ

これらの前提が，たとえばプランク・スケールで正しいととに成功した[4]。ここで冷たいというのは，（たとえば相対は限らない。ひも理論は非局所理論であるし，非可換幾何

論的エネルギーに比べて）反水素原子の持つ運動エネルギ

理論や量子ループ重力論は CPT やローレンツ対称性を破ーが著しく小さいということである。これを機に低速反水る可能性があることが知られている（たとえば[8,9]）。

素による新しい物理の展開が始まった。

CPT 定理の帰結として，粒子と反粒子は同じ質量，寿命

2004 年にデータ収集を終了した ATHENA 実験に続いて，を持ち，原子と反原子ではエネルギー準位が同じであるこ

われわれは ALPHA という新しい実験を開始した。これまとが要請される。われわれの長期目標は水素と反水素を超38
高精度分光で比較することにより，CPT の対称性の破れを証することには，理論的考察を抜きにしてもそれなりの実探ることにある。なお，反水素の重力測定による一般相対験的必然性があるのである。

論の等価原理検証実験も提案されているが，ここでは議論

宇宙におけるバリオン非対称

しない。

CPT の破れは宇宙論的な重要性をもつ可能性がある。宇

最近，Kostelecky らにより提唱された CPT とローレンツ

宙における物質・反物質の非対称性は現代科学の一大問題

対称性を破る有効場理論[10]が注目を浴びている。彼らがである。これを説明するためには有名なサハロフの条件がStandard Model Extension（SME）と大胆に命名したこの必要条件である，という言い方がよくされるが，これは必理論をもとにした数多くの実験が行われている[11]。SME

ずしも正しくない。ここでサハロフの条件とは（1）バリオのような有効場の理論の枠組み内では CPT の破れはローン数の破れ，（2）C および CP の破れ，そして（3）上記のレンツ対称性の破れを伴うとされており，物質系でのロー反応が非熱平衡状態で起きること，であるが，もし CPT がレンツ対称性を調べることにより，（反物質によらずに）破れていれば，熱平衡状態でもバリオン非対称が生成され

CPT の破れのパラメータ空間を制限することができる。しるのである。たとえばトップ・クォークと反トップ・クォ

かし，物質と反物質を直接比較することにより，よりモデークの質量が 10−6 レベルで違っていると，観測されている

ルに依存しない CPT の検証が可能となる。

バリオン非対称が説明できると指摘されている[13]。今のとではわれわれのような低エネルギー実験でどのような大きさの CPT の破れが期待できるだろうか？ 一つの推測としては，CPT 非保存相互作用によるエネルギーシフトは，ある高いエネルギー・スケールのべき乗で抑制され，

ΔEnergy ∼m n +1
ΛnNP（1）

ころトップの質量は 1% 程度の精度でしか測られていないことに注目すべきである。

3.

反水素原子の分光

近年の分光技術の発展により，水素原子のレーザー分光，
特に 1s − 2s 準位間の二光子分光は 10−14 レベルの驚異的なと表され得るかもしれない[12]。ここで ΛNP は CPT を破る精度に達しており[14]，2005 年にはこれに関連して Hänsch

新しい物理のエネルギー・スケール，m は測定量に関連す

らにノーベル賞が授与された。また超微細遷移（有名なる低エネルギー物理のスケール，べき乗 n は新しい物理の21cm マイクロ波）の測定も 10−12 程度の精度が得られてい次元に依存する。この式によると有意義な実験感度のベンる[15]。もし 1000 個程度の反水素をトラップできれば比較

チマークはプランク・スケールで抑制された観測量であろ的早い段階で 10−12 のレベルで 1s − 2s 準位レーザー分光がう。たとえば n = 1 ， m = 1GeV ， ΛNP = 1019 GeV とすれ可能になると Hänsch らは予想している[16]。この精度で既ば， ΔEnergy ∼ 10−19 GeV のオーダーになる。これは周波数に陽電子の質量測定の精度を一気に 4 桁も向上できる[5]。

に直すと約 20 kHz で，現在の原子分光実験で十分到達可能

またこれはエネルギー・シフトの感度としては数 kHz，あ

な精度である。つまり反水素分光には原理的にはプラン

るいは 10 −20 GeV となる（式（1））。現在，水素原子分光にク・スケールの物理を探り得る感度があるわけである。さ

よる束縛系での QED の検証精度は陽子の内部構造（電荷らに，たとえば余剰次元が TeV スケールに存在すれば，も半径など）からくる理論誤差によって制限されていて，こっと大きなレベルで CPT の破れが観測され得る可能性ものことがさらなる高精度実験を進めるための動機付けを弱あるだろう。

めている（類似した例として，Gabrielse らによる電子 g − 2

さて，このような理論的憶測はさておき，理論のバイアスを出来るだけ排して実験的に新しい物理を探るにはどのような手があるだろうか？ 加速器あるいは宇宙線などで高エネルギーの極限を探るのはもちろんだが，可能な限り高精度の測定を試みる，という手も当然ありうる。しかしどのような物理量を測ればよいか，予め分からないときにどうするか。実験的に高エネルギー，あるいは高精度に到測定による QED 検証も現在，独立した微細構造定数の値の精度により制限されている）。水素・反水素比較による基本対称性の検証においては，このような理論的不確定性はない。実験精度の向上が即，CPT 定理検証精度の向上につながるのである。ちなみに，ここに挙げた Gabrielse や

Hänsch は商売敵の ATRAP 実験の指導的メンバーである。
われわれの競争の大変さを想像していただけるかと思う。

達できる系があれば，とにかくそこを徹底的に調べるといさて反水素分光による CPT 検証はその他の系での検証

うことは，意味があることだと思われる。いわば，暗闇でといかに競合できるか？ 一般には CPT を破る基本理論が鍵をなくしたら，とりあえず少しでも明かりに近いところ

分からないときに異なる系での実験的検証の有効性を比較から探せ，ということである。前述の様に，水素原子は物することは容易ではない。よく引用されるのは中性 K 中間

理全体の中でももっとも精度よく調べられている系の一つ

子と反 K 中間子の質量差と質量の比 Δm / m ∼ 10−18 であるであり，反水素原子との比較によって CPT を超高精度で検が，たとえば，小林と三田[17]はこの系では CPT の検証と

39
しては 10% 程度にしかならないと 1992 年の時点で主張しペニングトラップでは，通常数テスラ程度のソレノイドている[18]。また Bigi は質量差を質量自身で割るというこ

磁場により荷電粒子を磁場軸に沿って閉じ込める。しかしと自体に疑問を投げかけ，たとえば質量差を（動物の）象

これだけでは粒子が両端から漏れ出てくるので，両端を電の体重で割るのとそれほど違いはない，という意味のこと

場でふさぐことにより三次元での閉じ込めを実現する。実を言っている[19]。式（1）による比較では K 中間子の質量は，ペニングトラップを使った研究では，トラップする粒差を周波数に直せば 100 kHz 程度である。反水素をトラップ

子の数によって，かなりはっきりと業界が分かれており，

できれば，これに比べて十分競合できる精度（数 kHz）のたとえて言えば，原子物理と固体物理ほど興味の対象や実CPT 検証が期待できるのである。

際の物理も異なってくる。単一粒子のトラップでは，粒子

さらに最近，村山は CPT 検証の性能指数（figure of merit）
として粒子−反粒子の質量差ではなく，質量自乗の差を使うことを主張した[20]。この説によれば，ニュートリノ振動から得られる電子ニュートリノと反電子ニュートリノのΔm 2 の差が，K 中間子系のそれよりも有効な CPT 検証を与えることになる。同様の議論を反水素に当てはめると，たとえば反水素・水素分光比較による陽電子・電子の質量の運動を正確に予測できるため，荷電粒子の電荷質量比や磁気能率の精密測定が行える。粒子の数を増やすと，粒子間の相互作用や，自身の電荷による電場の影響が大きくなり，各粒子の運動を個別に記述することは困難となり興味の対象は（非中性）プラズマとしての多体問題の理解となる。反水素実験の場合はできるだけ大量の反陽子･陽電子が欲しいので，非中性プラズマの振る舞いを理解することが等価性の測定も K 中間子系よりもより有効な CPT 検証と必要になる。

なり得るといえる。以上のいくつかの例は，反水素によるAD 反陽子減速施設

CPT 検証が他の系と比較しても相補的かつ重要な役割を果たしうることを示している。

低速反陽子の物理は日本グループの主導的な貢献をはじめ，これまで様々な成果を出してきており，大強度の陽子と，研究の動機付けの素粒子物理的側面を色々と書いた加速器が計画，建設されるたびに反陽子施設の可能性が話

が，反水素研究は原子物理やプラズマ物理研究者には興味題になるのは当然だと思われるが，CERN の AD は現在のを持ってもらいやすいが，TRIUMF 研究所上層部を含め素ところ 世界 で 唯一の 低速 反 陽子施 設で あ る。か つての粒子研究者のサポートを得るのはなかなか容易ではなく，LEAR Complex は四つの加速器を駆使して高輝度のビーム

私も日夜奮闘しているのである。

を自在な時間構造で供給することができ，メゾン・スペク
トロスコピーを中心として多目的に利用されたが，AD で4.

反水素の生成反粒子トラップ

は反陽子の減速・冷却（確率冷却および電子冷却）を単一のリングで行うため，約 2 分に一発 107 程度の粒子数のビー
ムパル スが 来 るとい う特 殊 な時間 構造 を もって いる。

ここから実験的側面の説明に入る。当然のことながら反LEAR に比べると時間平均した反陽子数も数桁少なく，物質は物質とぶつかると消滅するので，これを閉じ込める「LEAR 施設の貧者版」と揶揄する人もいる。しかし，このには何らかの工夫をする必要がある。反水素原子の構成要

時間構造は通常の原子核素粒子実験には使いづらく，逆に素である反陽子と陽電子は電荷を持っているので，電磁力反物質研究のためにビームをほぼ独占することが可能になによるペニングトラップを使って閉じ込める。しかし反水った。現在，1 年約 6 ヶ月のビームを主に三つの実験で，

素は中性なのでどうするか。幸い，反水素は磁気モーメン

通常 1 日 8 時間ずつ分けている。現在 AD で走っている実トを持っているので，磁気トラップを用いての閉じ込めが験はわれわれの ALPHA と競争相手の ATRAP そして東

原理的には可能である。しかし後述のように，これにはさ大・理研の日本グループを中心とした ASACUSA 実験であ

まざまな困難を乗り越える必要がある。

る。高エネルギー実験とは違い，われわれのような小規模

一般に粒子をトラップするには閉じ込め力のほかに，最の実験で 6 ヶ月間もビームが使えるのは実際かなり幸運な

初の捕獲過程を工夫する必要がある。保存力系においては，ことである。少人数でやっているので，その分，体力勝負

トラップに入ってくるための運動エネルギーをもっているになる面はあるが。

粒子は，何もしなければそのまま出ていってしまうからで反陽子と陽電子の捕獲と冷却ある。捕獲方法には（1）トラップ内に散逸過程がある（エネルギー損失を生じさせる），（2）トラップの壁を動的に開閉する，（3）粒子の生成そのものをトラップ内で行う，などの方法があり，われわれは状況によりこの三つを使い分けている。

図 1 に示すように，AD からの 100 MeV/c の反陽子ビー
ムはまず degrader で数 keV 以下に減速され， 5 kV の高電圧を使ってトラップの壁を動的に開閉することにより反陽子の捕獲を行う。これは前述した動的捕獲の一例である。
実は減速材をつかった減速は効率の悪いやり方で，0.1% 程40度の捕 獲 効 率 し か な い 。 AD で お 隣 の ビ ー ム ラインのいうデータをもって反水素生成・消滅の証拠とした。このASACUSA 実験では RFQ（高周波四重極）減速器を使って解析の詳細については，たとえば日本語でも文献[23,24]で高効率を得ている[21]。

解説したの参照されたい。

図 1 反陽子のペニングトラップによる動的捕獲と電子冷却[22]捕獲された反陽子は冷たい電子とクーロン相互作用する
ことによって，eV の低温まで冷やされる。電子自身は強磁場中でシンクロトロン放射により自発的に冷却される。
電子冷却後，電子をトラップから除去し，反陽子を混合トラップに移動させる。
図2

反水素原子の生成と検出[4,23,24]

陽電子の方は，まず独立した蓄積装置に溜めた後に，

ALPHA 装置本体の混合トラップに送り込まれる。陽電子

さて，さきほどからトラップ中で粒子を動かすと述べた

蓄積装置は，いわゆる Surko 型トラップといわれ，ナトリが，このような粒子操作は口で言うのはやさしいが，実際

ウム 22 放射線源からの陽電子がトラップ中のバッファガには一つの動作を習得するのにビームを使って何週間もかスによってエネルギー損失をすることにより捕獲を実現す

かることもあり，ビームタイムの多くの時間は粒子操作方る。これは散逸捕獲の一例である。蓄積装置から本体へは，法の開発に使われている。

パスル電圧を使って壁を開閉する動的過程によって陽電子を送り込む。
反水素の生成と検出
この様にして準備した反陽子と陽電子は，混合トラップ
において混ぜ合わせる（図 2）。このとき，電荷の符号が違う粒子を同時に閉じ込めるために，トラップのポテンシャ
ル壁が二重の入れ子になった，いわゆるネステッド・ポテ
ンシャルを用いるが，この構造は Gabrielse らによって提案された。反陽子と陽電子の相互作用から反水素原子が生成されると，反水素は中性のためペニングトラップから漏れ出て壁にあたる。反水素消滅事象を検出するため，

ATHENA ではシリコン・ストリップ検出，および分割された CsI 結晶を用いた。前者で反陽子消滅からの荷電粒子（主ここで少しトラップ中での粒子操作について一般的なことを述べる。われわれのトラップ電極の数は 40 ほどあり，
粒子操作の最適化のための変数としてはそれぞれ電圧の値，
電圧変動の時間スケール，さらに用いる粒子数，粒子密度，
粒子温度などがあり，最適化問題としては膨大なパラメー
タスペースとなる。もちろん理論を参考にするのだが，通常の非中性プラズマ実験は数個の電極で粒子をほとんど移動させずに行われることが多く，われわれの作業は試行錯
誤に近い。不幸中の幸いではあるが，反粒子の場合は操作に失敗してトラップから粒子を失うと，華々しい消滅反応を観測できるという利点がある。この反物質の特性を利用して，プラズマ粒子の損失過程についてのユニークな研究も行っている[25,26]。

にパイオン），後者で陽電子消滅からの 511keV ガンマ線を

このようにして ATHENA 実験はハーバード大率いる同検出した。反陽子と陽電子が同時に同じ場所で消滅したとじ AD の ATRAP 実験との激しい競争の末に世界で初めて

41の冷たい反水素生成に成功したわけだが，実のところ AD

n 2T −4.5 だと予想される。ATHENA での反水素の生成率は

実験開始後数年の間，ATRAP からは華々しい途中経過が500 Hz にものぼり（これは放射性再結合の予想より一桁以伝わってくるにもかかわらず ATHENA の方は進展が思わ上大きい），陽電子の低温および高密度のため，三体再結合

しくなく，グループの士気はかなり低くなっており，あきが優勢だと考えられているが，これまでの測定ではその決らめの雰囲気も見られた。しかし，周りの士気が低いとい定的な実験的証拠が得られていない。

うのは，逆にやる気のある若手にとってはチャンスともい
え，一ポスドクだった私は，自ら志願して Run Coordinatorになって現場の指揮を取る立場に就いた。しかし国際共同実験ではよくあることだと思うが，責任はあるが権限はない，という立場はなかなかつらいところもあり，バカンス・家族などを大事とする欧州文化もあって，なだめすかして皆さんに働いていただく以外になかなか手はない。もちろん自分が他人より多く働くというのは大前提であるが。幸い 2002 年には経験豊富な研究者が CERN に駐在してくれたこともあり，反水素生成の成功につながったときには正直ほっとした。

5.

パルス化した反水素源

ATHENA 実験は 2004 年にデータ収集を終了した。

図3

パルス化した反水素原子の生成[27]ATHENA では 2002 年の反水素生成の成功以来，反水素の生成過程などに関する様々な研究を行ってきたが，ここで今回のデータは反水素生成の温度依存性に関する重要なは反水素生成のパルス化に成功したという，最近私が行っ情報を与える。図 4（a）にパスル現象の時間発展の詳細をた解析の結果[27]について少し詳しく述べる。

示す。 t = 0 において，RF 加熱を停止すると，陽電子はシ

ペニングトラップにおいて，陽電子に高周波（RF）をかけて加熱することにより反水素の生成を抑制することが可能であるということを既にわれわれは知っていたが，RF を周期的にかけることにより，反水素生成をパルス化することに成功した。図 3 に反水素生成の時間変調の証拠を示す。
反水素検出器による反水素生成信号が RF オフのとき（灰色）と RF オンのとき（白）で大きく変調されていることがわかる（上図）。下図は反水素消滅の軸方向の位置を表し，
この位置分布がパルス反水素生成の証拠の一つとなる。

ンクロトロン放射によって指数関数的に冷却される（図中で T と表示された曲線，オンライン版では緑線）。これにともない抑制されていた反水素の生成が立ち上がる（ errorbars）。陽電子冷却の温度を知ることにより，反水素生成の
温度依存性が推論できる。反水素生成の時間進展をt⎡⎤
R(t ) = A ⋅ ⎢ ΔT ⋅ exp ⎛⎜ − ⎞⎟ + T0 ⎥
⎝ τ⎠
⎣
⎦

−P

+ Bk

（2）

の式を仮定してフィットしたのが， R ∼ T −1.2 と示された曲線（オンライン版では赤実線）である。ここで式（2）の [ ]の中の項が陽電子の温度 T の時間発展を示す。 ΔT （加熱さてパルス反水素源ができると，パルス・レーザーやマ温度）と τ （シンクロトロン冷却時定数： 3 T 磁場中ではイクロ波など，他のパルス装置との組み合わせが可能にな

0.5 秒程度）はオフライン・プラズマ実験により測定した値る。さらにパスル現象の時間発展を詳しく調べることによを入力値として使った。フィット・パラメータは，反水素

り，反水素生成の仕組みに関する情報が得られることを示

生成の温度依存性のべき乗スケーリング P，平衡状態温度した。

T0 ，バックグラウンド Bk，ノーマライゼーション A であ

ここで少し反水素生成過程の原子物理についておさらいる。われわれのフィットは反水素の生成率が T −1 程度の温をする。反陽子と陽電子が結合して反水素になるには，束度依存性を持つことを示唆している。これに対して，従来

縛エネルギーを何らかの形で放出してやる必要があり，エの三体再結合から予想される T −4.5 を仮定すると，反水素生

ネルギー・運動量保存のために，第三の粒子が必要となる。

成の立ち上がりはずっと遅れることになる（ R ∼ T −4.5 と示

これには主として二つの方法があり，光子を放出する放射された曲線，オンライン版では青線）。フィットモデルによ性再結合（宇宙の多くの水素原子はこうやってできた），おる系統効果を調べるために式（2）で T0 = 0 と固定し，フィ

よび周囲の陽電子を蹴り飛ばす三体再結合である。陽電子

ット領域を高温に限定したフィットを点線（オンライン版の温度 T と密度 n に対する依存性はそれぞれ， nT −0.6 ，

では赤点線）で示す。さらに，加熱温度を変えて測定した

42
ものが図 4（b）である。われわれのモデルの単純さを考え初に発見したときは，反物質でこんなことができるのか，ると，データとの一致はかなりよいといえる。様々な系統とわれながらかなり驚いたものだが，最近の Phys. Rev.

という依存性が得られた。反水素原「パルス現象自体は特に驚くに値しないの
Lett.の査読では，子を使った実験で系統誤差をこのように詳しく考慮した解で，再結合過程の物理結果に焦点を置くべし」，とのコメン析を行った例はまだあまりない。

トがついた。あまり驚かれなくなってということは，反水誤差を考慮し，T−1.1 ± 0.5

素研究も数年の間にすっかり市民権を得たと喜ぶべきなのかも知れない。

6.

ATHENA から ALPHA へ

このように ATHENA は冷たい反水素を大量に作り出し様々な測定を行ったが，反水素研究を次の段階に推し進めるには，どうしても反水素を定常的にトラップすることが必要である。これを成し遂げるため，ATHENA 実験の終了
後，わ れわ れ は新し いコ ラ ボレー ショ ン を結成 した。

ALPHA−Antihydrogen Laser Physics Apparatus という名は 私 が 考 え た 。 実 は 最 初 は ALE − Antihydrogen Laser

Experiment という名前を提案していたのだが，ビールの一種である ale との語呂合わせの受けがメンバーにはあまりよくなかった。ちょうどそのころ私も理研のポスドクから

TRIUMF のスタッフに職が変わり，カナダから ALPHA 実
験に参画する努力を始めた。幸い，短期間の間にカナダの
主要 5 大学から 10 名程度の研究者の賛同を得，また予算獲得にも成功したので，ALPHA-Canada グループを結成し，早い段階からの本格的な参加が可能になった。ALPHA は

40 人弱の規模で，全体の約 3 割を占めるカナダグループは，Si センサーを除く検出器，DAQ，解析ソフト，と ALPHAの原子核・素粒子的側面のほぼすべての責任を負っている。
さらに ALPHA-Canada は水素原子のマイクロ波分光やパスル・レーザー分光の専門家を擁する学際チームとして，
図 4 反水素生成の温度依存性解析[27]さて，通常の三体再結合からの予想との違いについては，われわれの反応過程が，定常状態から大きくずれることか

反水素の分光方法の開発にも主導的貢献をしている。現在，日本からも東大原子核の早野氏と理研原子物理の山崎氏がALPHA に参加されている。
中性磁気トラップ

ら定性的には説明できる。 T −4.5 は定常状態での値であるが，反水素をトラップするために ALPHA が用いる磁気トラ

われわれのトラップされたプラズマでの実験では定常状態

ップについて少し述べる。前述のように，中性（反）原子に達する前に反水素はプラズマから抜け出してくる。しかはペニングトラップでは閉じ込められないので，反水素のし，このような反水素生成の温度依存性がべき乗法則に乗

磁気モーメント μ と磁場 B との相互作用を閉じ込め力に用るというのは驚きであり，現在プラズマ理論家を巻き込んいる。磁気エネルギーは U = −μ ⋅ B と書け，三次元中で磁でこれを説明すべく私も頭を悩ませている。実はこのよう場の極小を作ると反水素の閉じ込めが可能になる。しかしな薄いプラズマでの実験は普通の物質原子を用いた系でもながら，問題はトラップの井戸の深さが極めて浅いというあまり行われていないのである。このように，ペニングトことである。ペンニングトラップでは keV 程度の井戸の深ラップ中の反水素生成過程はそれ自身が面白い現象である

さは容易に達成できるが，反水素磁気トラップでは磁気相が，その理解は反水素分光による CPT 検証に向けて実際的互作用の弱さのため 0.7 × ΔB (Kelvins) 程度の深さしかない。

な意味でも重要である。精密分光には基底状態にトラップ

ここで ΔB は磁場強度の最大値と最小値の差であり，現在された反水素が必要とされるが，反水素の量子状態は生成の超伝導技術では数 T が限度である。つまりわれわれは 1K

過程に強く依存するからである。

程度以下の冷たい反水素を作り出す必要があるのである。

図 3 に示すような反水素のパルス生成現象を数年前に最われわれの課題の困難さは，関連するエネルギースケー

43
ルを比較することによって明らかになるだろう。反水素の生成のために必要な非中性プラズマの特徴的なエネルギー

7.

ALPHA の粒子検出器

スケールはその空間電荷であり，円筒型プラズマの場合

ALPHA では様々な粒子検出器を使っているが，その種E ∼ enL /(4πε0 ) で与えらる。ここに e は粒子電荷，nL は単類は粒子計数用，イメージング用などに分けられる。まず，

位長さあたりの粒子密度である。これは 10 eV のオーダーの計数用検出器では反陽子の消滅事象を計数することにより物理である。別の言い方をすれば，トラップされた非中性反陽子の数を計ることができる。トラップされた反陽子をプラズマには 10 eV 程度のエネルギーがポテンシャルエネ

開放しトラップ壁に当ててやると，消滅反応により数個のルギーの形で詰め込まれており，これらは容易にプラズマ

荷電粒子（パイオン）が生成される。これらのパイオンを粒子の運動エネルギーに変換されて粒子を加熱する。中性検出するためにいくつかの検出系を用いている。もっとも原子トラップの深さが 0.1meV 程度であることを考えると，簡単なものは，シンチレータを光電子増倍管（PMT）で読−5

プラズマ過程の操作を 10 の精度で行う必要があることにみ出す外部消滅検出器で，これを磁石の外に置いている。

なる。トラップされたプラズマには様々な不安定性や振動トラップ磁石からの漏れ磁場が 100 ガウスほど存在するののモードが存在し，それらが外部環境とカップルするとすで，ミューメタルなどで三重に遮蔽した PMT を使ってい

ぐに温度が上がってしまう。これらを出来るだけ抑えながる。この検出器は，たとえば[29]の物理測定に使われた。実ら，反水素を生成するのはなかなか簡単ではないのである。

はこの外部シンチレータアレイ用の PMT 十数個は，予算

実際，ATHENA での最初の反水素生成ではそこまでのトラ節約のため TRIUMF に転がっていた 20 年ほど昔の PMT

ップ制御は出来ず，生成された反水素の速度分布はかなりの山から使えるものを見つけ出して再利用している。

大きい値であることが示唆されており，われわれは様々な反水素生成などの比較的微弱な信号を検出するには，ソ

新しい方法による反水素の生成を検討・試行している。

レノイド磁石ボア中，トラップの近くにも検出器を置きた

ALPHA の八重極トラップ

い。しかし通常の PMT は当然磁場中では使えない。Si ス

また別の問題として，反水素をトラップするためには，

トリップ検出器は磁場中でも使用可能であるが，後述のよ反水素生成のためのペニングトラップと中性原子用の磁気

うに，メーカーの生産の遅れにより，われわれは別のシストラップを共存させる必要性が挙げられる。中性トラップ

テムを非常に短期間の間に開発する必要にせまられた。

のための一般的な方法では四重極磁場をつかうが，そのよ

われわれがまず試みたのは，BNL での KIPIO 実験の電うな磁場をペニングトラップに組み合わせると，後者によ磁カロリーメータ用に TRIUMF グループが開発したシスる荷電粒子の閉じ込めが出来なくなるという可能性が示唆

テムを転用することであった。これは穴の開いたシンチレ

された[28]。これがもし本当なら反水素を生成する前に反陽ータに通した波長変換ファイバーによって光を読み出すシ子と陽電子を失うことになるので重大問題となる。われわ

ステムであるが，残念ながらわれわれのテストでは十分な

れ ALPHA では八重極磁場を使うことによりこの問題が軽量の光子を取り出すことは出来なかった。代わりにわれわ

減できることを予想し，ブルックヘブン研究所と共同で特れが開発したのは，シンチレータを直接 APD（雪崩光ダイ

製の超伝導磁石の製作を行った。BNL はコイルを一層巻くオード）に接続して読み出すシステムである（図 6）。

ごとにエポキシで固めるという特殊な技術を持っている。
この八重極磁場と重ね合わせたペニングトラップ中で粒子の安定性を反陽子と陽電子で実証したのが ALPHA の最初の物理結果となった（図 5）[29]。

図5

ALPHA 実験の概要図[29]図6

APD 読み出し反水素消滅検出器と超伝導ソレノイド

44

T2K 実験などで使われる Si PM についても検討したが，そ れ 以 外 の 読 み 出 し 電 子 回 路 ， DAQ ， 解 析 ソ フ ト は浜松ホトニクスの製品はまだ商品化されていなかったこと

TRIUMF が担当している。両面読み出しの縦 11.5 cm ，横もあり，時期尚早と判断した。APD のゲインを安定させる

6 cm のセンサーを 2 枚縦につなげて一つのモジュールとし，ために，冷却水を用いて検出器の温度を 0.1 度以内に制御

これを 60 枚，3 層に巻いている。z 方向 230 ミクロン，r − φ

している。この検出器を用いて，われわれは低磁場での反方向 800 ミクロンのストリップピッチにより片面 256 チャ

水素の生成，検出に成功した（図 7）[30]。

ンネルずつ，計 512 チャンネルを四つの ASIC で読み出している。チップには Belle でも使われた IDAS の VA1TA を
セルフ・トリガーモードで使う。ADC にはモントリオール
大で開発した多チャンネル・デジタイザーを使用することにより全 ASIC を並列に読み出している（Belle ではハイブリッド上の ASIC を直列につないで読み出しているそうであ る ）。 コ ン ト ロ ー ル ， ト リ ガ ー な ど の モ ジ ュ ー ル は

TRIUMF で開発した。トリガーについては FPGA 上で大まかなイベントトポロジー認識をする能力も備えているが，実践でどれだけ役に立つかはバックグラウンドのレベルによる。全部で約 3 万チャンネルを読み出す電子回路と DAQをほとんど自前で作れるエンジニアや技官を擁する

TRIUMF 研究所のインフラには感謝している。
図 7 低磁場における反水素生成信号およびバックグラウンド[30]Si 検出器コミッショニング
Si センサー建設については残念ながらメーカーによる納Si バーテックス検出器品が遅れに遅れており，ようやく 2007 年末に 6 台のモジュ

ALPHA 実験の設計思想上の重要な特徴の一つは Si バーール（全体の 10 分の 1）が出来上がり，これを実際の反陽テックス検出器による反陽子消滅イメージングの能力であ子ビームでテストすることに成功した。3 週間の間に反陽る。ATHENA で示されたように[4,25]，これは反水素生成

子消滅パイオン軌跡を再構築するところ（図 8）まで行けの検出だけでなく，関連したプラズマ過程の研究にも大きれば上出来だと考えていたが，幸いコミッションを早急にな威力を発揮する。さらに，最初のトラップされた反水素達成し，限られた立体角ではあったがこの検出器を新しいの検出は，バックグラウンドに埋もれた稀事象を探し出す

プラズマ過程の物理測定に使うことができた[26]。

ことになると予想される。反水素の分光実験には，さらなる稀事象の検出が必要とされるだろう。このためには，位置敏感な消滅検出によるバックグラウンドの除外が極めて重要になる。まさにこのために，われわれは磁気トラップと共存可能なシリコンストリップ検出器を開発しているのである。
反陽子消滅バーテックスの測定には，比較的低運動量のパイオン（平均 400 MeV/c 程度）の軌跡を検出することが必要であるが，最大の難点は磁気トラップの構造上，トラップから見て超伝導磁石の外側にしか検出器を置くことができないということである[31]。当然，多重散乱が多くなり，さらにシリコン第一層が消滅反応点から離れてしまう。は

図8

Si 検出器による反陽子消滅事象検出[5]たして，このような状況でバーテックス検出が出来るか？
まず大まかな計算により，数 mm 程度の精度は出そうであ図 9 に示すのは八重極磁場における損失過程の軸方向のると評価した[32]。これはコライダー実験ではお話にならな

反陽子消滅バーテックス位置である。通常のペニングトラ

いであろうが，われわれにとっては十分有益なのである。

ップでは磁場（および電場）が軸対称性をもち，このこと

その後 TRIUMF グループが中心となって詳細なシミュレ

が粒子封じ込めの重要な条件となっているが，八重極磁場ーションを行い，これをもとにバーテックス検出器を設計

はこの対称性を破り，粒子損失を誘導することが予測されした。建設は Si センサーとハイブリッドは英リバプール大，る。（この粒子損失は四重極磁場ではさらに深刻で，八重極

45
ではかなり軽減されている）。Si 検出器で測定した軸方向のめて主要部分の建設を行い 2006 年 8 月にはファースト・ビ

反陽子消滅位置は，この粒子損失モデルの予測と一致する。

ームを迎えた。実験のサイクルが短いというのは，われわ

さらに，消滅の方位方向と軸方向の二次元位置分布の予備れのような小規模な実験の最大のメリットの一つであるが，的結果を図 10 に示す。このよう粒子損失が空間的に集中す

それでもかなりの突貫工事であった。それ以来短期間の間るというのもモデルの予測するところである。われわれはに，ここに述べたように，磁気中性トラップ中での荷電粒

このモデルに基づいて，プラズマ形状測定の手法を開発し子の安定性[29]，低磁場での反水素の生成の達成[30]，反陽[26]，これを新しいプラズマ操作法[33]の測定に用いること

子プラズマの新しい測定法[26]および操作法[33]の開発など，ができた。

反水素トラップへ向けて重要なマイルストーンを達成してきた。また毎年ビームタイムの合間のシャットダウンの間にアグレッシブに装置の改良を重ねている。
今これを書いている段階（2008 年 6 月はじめ）で，われわれは 6 月後半にはじまる今年のランの準備中である。特TRIUMFに Si 検出器全体の約 2/3 が CERN に持ち込まれ，グループを中心にコミッションに忙しい（図 11）。今年のランではこの検出器を使って本格的な反水素トラップを試みる予定である。また，反水素トラップの成功時に備えて，水素メーザーの専門家を擁する ALPHA カナダグループは
図9

Si 検出器による８重極磁場中での反陽子損失過程[26]Preliminary

図 10

反水素超微細準位のマイクロ波分光のための開発を推進している。

反陽子消滅の二次元位置分布の予備的結果[5]

さて，反陽子消滅事象を再構築する上で重要なステップの一つはパイオン・トラックのパターン認識である。反陽子消滅からは 3 個程度の荷電パイオンと 2 個程度の中性パイオンが生成されるが，後者からのガンマ線が超伝導磁石などの物質中で電子･陽電子に変換され，結局平均すると10 個程度の荷電粒子が検出器を通り抜ける。現在トラック
認識の効率を高めるために，解析ソフトウェアの改良を重

図 112008 年ラン用の Si 検出器

反水素トラップ達成，そして精密分光への道のりはまだまだ長いかもしれない。しかしわれわれは楽天的に努力をつづけるのである。

ねている。また，磁場中でのトラックを測定するのに，検出器は 3 層しかないので，アラインメントが重要である。
現在，この効率を上げるため，CMS 実験で使われるソフトを試しているところである。このあたり，色々と高エネル
ギー研究者のお知恵を拝借したいところである。

9.

最後に

本稿では，反水素研究の素粒子物理的意義，ATHENA 実
験の反水素生成，および ALPHA 実験の現状についてくだけた話を交えながら解説した。その他，海外通信ということで日本との研究の違いなどについても書いて欲しいとい

8.

ALPHA 実験の現状と展望

ALPHA 実験は CERN から 2005 年 6 月に正式に承認された。その後 1 年ほどの間にほとんどなにもない状態から始う依頼を受けたが，私は日本では主に高専で教育を受け，大学院から海外に出て物理を始めたので，日本での研究経
験があまりない。私の印象としては，国ごとの違いよりも，

46
分野あるいはグループ間の違いの方が大きいのではないかと思われる。ALPHA には幅広い分野の研究者がいるので，(1997); 58, 116002 (1998).

分野が違うことによる文化ギャップを埋めるのに苦労する[11] V. A. Kostelecky, N. Russell, arXiv:0801.0287

側面もある。しかし，学際研究にはこのようなギャップを[12] M. Pospelov, Hyperfine Interact. 172, 63 (2006).

補って余りあるメリットがある。本稿でも触れたような低[13] A.D. Dolgov, Y.B. Zeldovich, Rev. Mod. Phys. 53, 1

温物理から原子物理，レーザー・マイクロ波，プラズマ，(1981); A.D. Dolgov, Phys. Rep. 222, 309 (1992).

素粒子まで，色々な分野の物理や実験技術を学べるのはこ[14] M. Fischer et al., Phys. Rev. Lett. 92, 230802 (2004).

の実験の特権である。必要とあらば初級の教科書から紐解[15] S.G. Karshenboim, hep-ph/0305205.

いて，他分野の勉強をしているのである。学生のときにも[16] T.W. Hänsch and C. Zimmermann, Hyperfine Interact.

っとマジメに勉強をしておけば，と後悔もしますが。
反水素研究は競争が激しくプレッシャーもきついが，夢のある分野であり，実験をやっていて本当に楽しめる。新
しい分野を一緒に切り拓いてやろうという気概のある日本の若い方が是非，留学やポスドクなどの機会をとらえて参加されることを期待して筆を置きたい[34]。

76, 47 (1993).

[17] M. Kobayashi, A.I. Sanda Phys. Rev. Lett. 69, 3139
(1992).
[18] この後 K 中間子系での実験が進展したが，それでもCPT 検証の精度は 10−5 程度だとされる. Y. Takeuchi,
S.Y. Tsai, Int. J. Mod. Phys. A18, 1551 (2003).
[19] I.I. Bigi, Nucl. Phys. A692, 227c (2001).
[20] H. Murayama, Phys. Lett. B 597, 73 (2004).

謝辞
私に反水素研究の機会を与えて頂いた早野龍五氏，山崎泰規氏，また反水素研究を一緒にやってきた船越亮氏をはじめ ATHENA，ALPHA 実験の同僚に感謝いたします。

ALPHA-Canada はブリティッシュ・コロンビア大，カルガ
リー大，モントリオール大，サイモン・フレーザー大，ヨ[21] われわれは反陽子捕獲効率を改善するための新たな冷却リング ELENA を提案している。

[22] M.C. Fujiwara et al., Nucl. Instrum. Meth. A 532, 229(2004) [hep-ex/0401039].
[23] 早野龍五，堀正樹，藤原真琴，物理学会誌 58, 166(2003).

ーク大，および TRIUMF の共同チームです。私の研究はカ[24] 藤原真琴，プラズマ核融合学会誌 80, 1027 (2004).

ナダ NSERC および TRIUMF によってサポートされていま[25] M.C. Fujiwara et al., Phys. Rev. Lett. 92, 065005

す。本稿執筆の機会を与えて下さった高エネルギーニュース編集委員の皆様に感謝いたします。

(2004).
[26] G. Andresen et al., Phys. Plasmas 15, 032107 (2008).
[27] M.C. Fujiwara et al., submitted to Phys. Rev. Lett.

参考文献[1] D. Kleppner, Phys. Today 52, 11 (1999). 実は本人はこの話を否定しているようである。
[2] Bauer et al., Phys. Lett. B 368, 251 (1996).

[3] G. Blanford et al., Phys. Rev. Lett. 80, 3037 (1998). 実
は Fermilab グループは CERN のイベントはほとんどバックグラウンドだったはずだと主張している。
[4] M. Amoretti et al., Nature (London) 419, 456 (2002).

[5] M.C. Fujiwara et al., arXiv:0805.4082.
[6] G. Lüders, Ann. Phys. 2, 1 (1957).
[7] R.F. Streater, A.S. Wightman, PCT, spin statistics andall that, (Benjamin/Cummings, 1964).
[8] I. Mocioiu, M. Pospelov, Phys. Rev. D 62, 107702(2002).
[9] R.C. Meyers, M. Pospelov, Phys. Rev. Lett. 90, 211601(2003).
[10] D. Colladay, V.A. Kostelecky, Phys. Rev. D 55, 6760

[28] J. Fajans et al., Phys. Rev. Lett. 95, 155001 (2005).
[29] G. Andresen et al., Phys. Rev. Lett. 98, 023402 (2007).
[30] G. Andresen et al., J. Phys. B 41, 011001 (2008).
[31] M.C. Fujiwara, Hyperfine Interact. 172, 81 (2006).
[32] M.C. Fujiwara, AIP Conf. Proc. 793, 111 (2005):
arXiv:hep-ex/0507082.
[33] G. Andresen et al., Phys. Rev. Lett. 100, 203401(2008).
[34] 宣伝で恐縮ですが，私のグループでも給費付きの院生のポジションを随時募集しています！