物質世界？

反物質世界？

Keyword: 反物質科学
最近まで，反物質を大量に生成し，利用することは，サ1s ‒2s 準位間隔はレーザー，基底状態の超微細分裂はメー

イエンス・フィクションの話題であった．しかし，CERNザーを用いて，どちらも 14 桁以上の絶対精度で測定されの反陽子減速器施設では，反水素原子の生成が日常となり，ている．その手法を反水素分光に適用すれば，高精度な分光研究も可能となりつつある．水素原子と反水素原子のCPT 検証実験が可能となる（図 2）．また，陽子と反陽子のスペクトル比較による CPT 対称性の高精度検証，反物質磁気能率比較も，CPT 検証手法として期待されている．
一方，反水素原子の自由落下実験は，反物質に対する弱の自由落下実験，反陽子原子を用いた基礎物理定数決定ない等価原理（WEP）の検証を目指したものである．反陽子

どの現状と，今後の展望を紹介する．のように電荷を帯びた粒子では電磁場の影響が巨大なため，

1.

反物質―CERN における 7 つの実験自由落下実験は不可能であったが，反水素原子が生成でき最近 CERN は，ヒッグス粒子の発見で注目されているが，世界で唯一「反物質」の研究が可能な場所でもある．これるようになり，自由落下実験が射程に入ってきた．では，反水素はどのように合成するのだろう．

までにも反水素原子（反陽子と陽電子の束縛状態）の生成 1）などは世界中のメディアで大きく扱われ関心も高い．
反物質の研究の現場は「反陽子減速器」（図 1）である．
反陽子を捕獲・蓄積するために建設されたリングを，捕獲

2.

反物質の合成反水素原子は，反陽子と陽電子を電磁トラップ中で混合・減速用に改造したもので，2000 年に実験が開始された．

することで合成される．まず，反陽子減速器から取り出された反陽子を *1 減速材を通して電磁トラップ *2 で捕獲し，減速器は円周 188 m で，反陽子をエネルギー 2.8 GeV で*3 一方，22Na 線源で発生させた陽電子を「電子冷却」する．

捕獲した後 5.3 MeV に減速し，100 ns 幅のパルスで取り出希薄な窒素ガスを満たした電磁トラップ中で減速・捕獲す

す．これが 100 秒周期で繰り返され，パルスあたりの反陽る．

子数は約 2,000 万個である．

こ う し て 準 備 し た 反 陽 子 と 陽 電 子 を「入 れ 子 ト ラ ッ

進行中の 4 つの実験と，準備中の 3 つの実験の一覧を，

プ *4」中で混合すると反水素原子を合成できる．1）

表 1 に示す．このうち，反水素原子の分光と反陽子の磁気問題は，こうして作られた反水素原子は，たちまち電極能率測定は，CPT 対称性の検証を目指したものである．場の壁に衝突して消滅することである．分光を実現するには，の理論では荷電共役（C），空間反転（P），時間反転（T）の低速反水素ビームを作るか，反水素原子を閉じ込める必要3 つの同時反転のもとで，物理法則は不変に保たれ（CPTがあるが，それが実現したのはごく最近のことである．

定理），その帰結として，粒子質量＝反粒子質量，粒子寿命＝反粒子寿命，などが導かれる．
CPT 検証で重要なのが反水素原子である．水素原子の3.

反水素原子の閉じ込めと分光

ALPHA 実験は，図 3 の装置を建設し，反水素の閉じ込めを目指した．反水素原子が磁気能率 μ を持ち，不均一磁場中で力 F＝ （ μ・B）を受けることを用いるのである．
Δ

1. CERN陽子シンクロトロンからの26 GeV陽子を用いて反陽子生成

図 3 の中心の「入れ子トラップ」で反水素を合成する．
ACE実験

2. エネルギー2.8 GeVの反陽子をADリングに入射
3. 減速及び冷却
2.8 GeV → 5.3 MeV

ソレノイド（図には示されていない），八重極コイル，ミAEGIS実験

ATRAP実験
反陽子線形減速器
RFQD

表 1 CERN の反陽子減速器施設における実験．* 印の実験は，準備中．
これらの詳細については，総説 2 を参照されたい．

Acc

確率

冷却

4. パルス取り出し
100秒毎に約100 ns幅で2 × 107個ALPHA実験

ASACUSA実験

電子冷却器

図1

CERN の反陽子減速器リング（周長 188 m）と実験エリア．

実験グループ

主目的ATRAPASACUSAACE
ALPHA
AEGIS*GBAR*
BASE*

反水素原子のレーザー分光
反陽子ヘリウムと反水素原子の分光
反陽子消滅の生物学的効果
反水素原子のレーザー分光
反水素原子の自由落下
反水素原子の自由落下
反陽子の磁気能率

日本物理学会誌

4© 2014 日本物理学会

Vol. 69, No. 1, 2014

水素原子

子原素水反32

真空容器

ミラーコイル
八重極コイル31s→2s
レーザー遷移s2→s1
移遷ーザーレ

F=1
n=1
F=0

超微細構造
メーザー遷移造構細微超移遷ーザーメ

2

1=F
1=n0=F

反陽子消滅検出器（シリコン）

図 2 水素原子の 1s ‒2s レーザー二光子遷移周波数と，基底状態の超微細分裂周波数は，どちらも 14 桁を超える高精度で測定されている．
反水素原子の対応する遷移周波数の測定による CPT 対称性検証は，反物質研究の重要な目標である．

ラーコイルにより，装置の中心で B0〜1 T，コイル近傍でトラップ電極

マイクロ波ホーン

図 3 反水素原子の閉じ込めと，マイクロ波共鳴に成功した ALPHA
実験装置．文献 3 より．

それを凌駕すると期待される．

B1〜2 T の不均一磁場が作られている．μ（B1−B0）は温度にすると約 1 K に相当する．
装置中心部分の温度は約 10 K であり，生成した反水素

5.

将来展望

反陽子減速器における実験開始から 13 年が経過し，よ原子のほとんどは捕獲されず，瞬時に消滅する．しかし，

うやく反水素原子分光の可能性が見えてきた．これを受け，十分長い時間待ってからミラーコイルの磁場を下げ，同期CERN は反陽子を 5.3 MeV から 0.1 MeV に電子冷却しながした消滅事象を探す手法で，少数ではあるが，反水素が捕ら減速する超低速反陽子リング ELENA の建設を決め，数獲されていることが示された．

年後の完成を目指し，建設作業を進めている．完成すれば，反物質研究が一層加速されると期待される．*5

更に，反水素原子の超微細分裂に対応するマイクロ波パルスを照射し，陽電子スピンを反転させると，同期して反3）陽子消滅率が増加した．
反水素原子の磁気能率が反転し，参考文献
1）早野龍五，堀 正樹，藤原真琴：日本物理学会誌 58（2003）166.
2）M. Hori, et al.: Prog. Part. Nucl. Phys. 72（2013）206.
3）C. Amole, et al.: Nature 483（2012）439.
4）黒 田 直 史，檜 垣 浩 之，山 崎 泰 規：日 本 物 理 学 会 誌 66（2011）594; Y.
Enomoto, et al.: Phys. Rev. Lett. 105（2010）243401.
5）堀 正 樹，早 野 龍 五：日 本 物 理 学 会 誌 67（2012）575; M. Hori, et al.:Nature 475（2011）4e84.
6）P. J. Mohr, et al.: Rev. Mod. Phys. 84（2012）1527.

トラップから逃げたと考えられる．精度は低いが，反水素原子のマイクロ波分光が可能になったのである．ALPHAは，1s ‒2s のレーザー分光を目指し，装置の改造を行っている．一方，ASACUSA は，非一様なカスプ（cusp）磁場4）トラップ中で反水素原子の生成に成功しており，これを偏極ビームとして取り出してマイクロ波空洞に打ち込み，超微細分裂周波数を測定することを目指している．

4.

早野龍五〈東京大学理学系研究科（2013 年 8 月 3 日原稿受付）

反陽子 He のレーザー分光と基礎物理定数

反陽子ヘリウム原子（ヘリウム原子の 2 個の電子のうち1 個を反陽子で置換したもの）のレーザー分光は，ASACUSA が取り組んできた独自性の高い研究である．この奇妙な原子の分光によって，反陽子・電子質量比が，陽子・5）電子質量比に迫る 10−9 の相対精度で決定された．
これはCPT 対称性の検証である一方，逆に CPT 対称性を仮定すれば，基礎物理定数の一つである陽子・電子質量比の高精度決定とみなすこともできる．科学技術委員会 CODATAは，後者の立場から，反陽子ヘリウム原子の実験結果を，
6）基礎物理定数決定に用いている．
精度向上の努力は更に続いており，近日中に反陽子・電子質量比精度が，陽子の現代物理のキーワード

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*1 ASACUSA は 独 自 に 建 設 し た 線 形 減 速 器 に よ っ て，反 陽 子 を 5.3

MeV → 0.1 MeV に減速した上で，トラップに打ち込んでいる．このため，他の実験よりも捕獲反陽子数が 2 桁近く多い．
*2 超伝導ソレノイド磁場で，荷電粒子を磁場と垂直方向に閉じ込め，電極で磁場と平行な方向に「蓋」をしたもの．
*3 トラップにあらかじめ電子を入れておく．電子はシンクロトロン放射でエネルギーを失い「冷えて」いる．反陽子は冷えた電子とのクーロン散乱で冷却される．
*4 ソレノイド磁場と，フタコブラクダの背のような形状の静電ポテンシ
ャルを重ねたもの．「こぶ」の部分に反陽子を，こぶの間の谷間に陽電子を捕獲し，徐々に両者を混合する．典型的には，104 個の反陽子と 108 個の陽電子の混合で，毎秒 100 個程度の反水素原子が生成する．
*5 ASACUSA は独自に線形減速器を建設し，活用してきたが，ビーム冷却せずに減速するため，ビーム強度，輝度ともに ELENA が優れている．

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5© 2014 日本物理学会