単一の陽電子を数カ月保持、米ノースウェスタン大が成功

米ノースウェスタン大学の研究チームが、電子の反粒子である陽電子1個を数カ月にわたり捕捉することに成功した。成果は学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

反物質は通常の物質に触れると対消滅してエネルギーを放出するため、隔離して保持すること自体が現代科学の大きな技術的課題とされる。チームは今回、「単一陽電子の量子サイクロトロン」を新たに構築した。

陽電子を捕捉する仕組み

陽電子はナトリウム22の放射性線源から生まれる。研究には300ミリケルビン、つまり絶対零度をわずかに上回る温度まで冷やす必要があり、エネルギーを10桁以上減らすことになる。

続いて陽電子を一時的に電子と結合させ、電気的に中性のポジトロニウムをつくる。電荷がないため、直径625マイクロメートルの小さな穴を通って捕捉用のトラップに入れる。そこで強い電場がポジトロニウムをイオン化し、陽電子だけが閉じ込められる。1個の陽電子を装填するには8~11時間かかるが、成功すれば数カ月間保持できるという。

狙いは物質と反物質の対称性の検証

標準模型では、ビッグバンで物質と反物質は同量生まれたはずだが、現在の宇宙は物質でできている。このため、どこかで対称性が破れたと考えられている。電子と陽電子は質量や磁気モーメント(g因子)が同じで符号が逆になるはずだ。研究を率いるGerald Gabrielse氏は、「もし両者が同じでなければ、過去100年で物理学最大の発見になる」と語る。

同チームは2023年に電子のg因子を10億分の0.13(0.13 parts per trillion)の精度で測定した。一方、電子と陽電子の比較の現行記録は1987年のもので、2.1 parts per trillionの精度で一致していた。新装置により、陽電子の磁気モーメントの測定精度は約30倍向上する見込みだ。

現時点で示されたのは装置が機能することで、高精度の測定値はまだ得られていない。