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反重力は存在しない:反物質が重力に従って落下することが初めて確認された

国際的な物理学者チームが、反物質として知られるとらえどころのない物質形態に関する重大な発見を報告した。反物質は通常の物質と同じように重力に反応する事が明らかになったのだ。

これまで科学者は、反物質が重力下でどのように振る舞うのか不思議に考えていた。反粒子はそれぞれの粒子と同じ質量を持つが、電荷は正反対である。では反粒子は重力場で反発し、反重力という物の存在を示すのだろうか?

今回、欧州原子核研究センター(フランス語の頭文字でCERNと呼ばれる)のALPHA共同研究チームの科学者たちは、世界中の多くの研究機関の協力を得て、この疑問に1つの答えを示す事に成功したのだ。

より具体的には、研究チームは、特に原子状反水素(中心に1個の反陽子、その周りを回る正電荷を帯びた陽電子で構成される)が、通常の物質の「正反対」として現れる物質で期待されるような上方ではなく、重力によって下方に引っ張られることを最終的に証明したという。

反水素が研究室で初めて作られてから30年近くが経った今日、この科学的成果は、Albert Einsteinの偉大な業績である一般相対性理論の正しさをさらに裏付けるものである。

「この学部の廊下を歩いて物理学者に聞けば、この結果は少しも驚くべきものではないと言うだろう。それが現実なのです。しかし、ほとんどの研究者は、実験が必要であったとも言うでしょう」と、10年以上前にこの実験を最初に提案したカリフォルニア大学バークレー校の物理学教授で、今回の研究の共著者であるJonathan Wurtele氏は声明で述べている。

そしてこの驚くべき新結果は、ある説明がもう通用しないことを教えてくれる。反物質が観測可能な宇宙からほとんど消えてしまった理由が重力反発にあるという考えは、もはや意味をなさない。

「物理学では、観測するまで本当のことは分かりません。これは、反物質の運動に対する重力の影響を実際に観測した最初の直接実験です。宇宙には反物質が存在しないように見えるため、いまだに謎に包まれている反物質の研究において、画期的な出来事です」と、ALPHAのスポークスマンJeffrey Hangst氏は述べている。

極小粒子を捕らえる

ALPHA実験は、これまでにない反物質を研究するために2013年に開始された。CERNの反物質ファクトリーのAD装置とELENA装置で作られた反陽子を合体させ、自然に生成される放射性ナトリウム22からの陽電子(反電子)と結合させる。反水素はわずかに磁気を帯びており、磁気トラップに閉じ込めることができるため、何も消滅させることはない。

ALPHA g
ALPHA-g装置の挿入 (Credit: CERN)

ALPHAで行われている多くの実験は、単にこれらの反原子の特性に関するものだ。しかし2018年、ALPHA-gを開始した。ALPHA-gは縦長で、反水素の動きを追うことができる。彼らは約100個の反原子からなる7つのグループを使用した。これはあまり多くないように思えるかもしれないが、反物質は作るのが難しく、間違いなく我々がこれまでに作った物質の中で最も高価なものだ。

Wurteleと彼のチームは、CERNで反水素粒子を作り、閉じ込め、研究した。既知の4つの力のうち最も弱い重力が反水素粒子に及ぼす影響を見るため、研究者たちは両端の磁場の強さを弱め、粒子を逃がした。

それぞれの粒子が磁気ボトルの上か下をさまよったとき、閃光が走った。研究者たちはその閃光を数えたところ、ボトルの底に迷い込んだ数が上部に迷い込んだ数より多いことがわかった。実に80%がそのような行動をとり、この結果は実験を12回繰り返しても変わらなかった。この新しい研究によれば、重力が反水素を下方に落下させることが決定的に証明されたという。

「この強力な実験ノブによって、私たちは基本的に、実験が実際にうまくいったと信じることができます」と、カリフォルニア大学バークレー校の物理学教授で、この新しい研究の共著者であるJoel Fajans氏は声明の中で述べている。

研究チームはまた、反水素の重力加速度が通常の物質の重力加速度に近いことも発見した。この結果は、他の反物質粒子にも当てはまると研究者たちは述べている。

しかし、今回の発見は、反物質が重力に反発するという理論を否定するものではあるが、反物質が物質に及ぼす重力に違いがあるかどうかは、より精密な測定によってのみ判明する。

「この反原子を作る方法を学び、それを保持し、実際に重力に敏感に反応するように落とすことができるほどうまく制御するのに30年かかりました」とHangst氏は付け加えた。

「次のステップは、加速度をできるだけ正確に測定することです。物質と反物質が本当に同じように落下するのかを検証したいのです」。反水素原子のレーザー冷却は、ALPHA-2で初めて実証され、2024年にALPHA-gに戻る際に実装される予定である。

宇宙の反物質はどこにあるのだろう?

とはいえ、反水素に対する重力の影響を初めて直接観測したことで、研究者たちは、宇宙で不可解なほど希少な反物質の重力的性質について、詳細かつ直接的な追求を開始したことになる。

ビッグバンの間、宇宙には物質粒子と反物質粒子のペアが豊富に存在したと考えられており、反物質粒子は反対の電荷を持つ以外は同じ質量を持つため、物質の鏡と考えられている。物質粒子と反物質粒子が接触すると、純粋なエネルギーが残る激しい閃光で互いを消し去るため、物質粒子と反物質粒子は常にペアで生成・破壊される。

少なくとも、前述の4つの力のもとで基本粒子がどのように振る舞うかについての現在の最良の理解を示す素粒子物理学の標準模型によれば、理論的には、宇宙にはエネルギーの残骸しか存在しないはずである。しかし、その対称性は宇宙の進化の過程で崩れ、物質が観測可能な宇宙を支配していることが明らかになった。これは標準模型では説明できないことだ。このように、反物質がほとんど残らないようにスケールを傾けたプロセスは、まだ解明されていない。

研究の次のステップとして、チームは実験をアップグレードして感度を高め、反物質の落下速度にわずかな違いがあるかどうかを確認している。

もしそうなら、宇宙はどのようにして誕生したのかという最大の疑問の一つが解けるかもしれない。


論文

参考文献

研究の要旨

1915年に発表されたアインシュタインの一般相対性理論は、重力に関する最も成功した記述である。1919年の日食から重力波の観測まで、理論は多くの重要な実験的テストに合格してきた。しかし、ダークマターとダークエネルギーの概念が発展していることは、宇宙の重力について学ぶべきことがたくさんあることを示している。一般相対性理論における特異点や、重力の量子論の欠如は、我々の理論が不完全であることを示唆している。したがって、エキゾチックな物理系における重力を探求することは賢明である。1915年当時、反物質はアインシュタインにとって未知のものであった。ディラックの理論が登場したのは1928年、陽電子が観測されたのは1932年である。それ以来、重力と反物質について多くの憶測がなされてきた。理論的なコンセンサスは、どのような実験室の質量も地球に引き寄せられるに違いないというものであるが、反物質が物質に反発した場合の宇宙論的帰結を考察した著者もいる。一般相対性理論では、弱い等価性の原理(WEP)により、すべての質量はその内部構造とは無関係に重力に対して同じ反応を示すことが要求されている。ここでは、ALPHA-g装置で磁気閉じ込めから解放された反水素原子が、地球への重力引力に矛盾しない振る舞いをすることを示す。この場合、反発する「反重力」は否定される。この実験は、WEPを検証するために、反原子と地球との間の重力加速度の大きさを精密に研究する道を開くものである。

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