ALPHA実験

反水素レーザー物理学装置（ALPHA ）は、 AD-5としても知られ、 CERNの反陽子減速器での実験であり、磁気トラップで反水素を捕らえてその原子スペクトルを研究するように設計されています。実験の最終的な目標は、水素と反水素のそれぞれのスペクトルを比較することにより、CPT対称性をテストすることです。^{[1] ALPHAに参加している科学者には、2002年に初めて冷たい反水素を生成した}ATHENA実験（AD-1）の元メンバーが含まれています。

2023年9月27日、ALPHAの協力者は、反物質が通常の物質と同様に重力と相互作用することを示唆する研究結果を発表し、弱等価原理の予測を裏付けました。^{[2] [3]}

反物質を扱うには、実験上の課題がいくつかある。反物質が物質と対消滅しないようにするには、磁気トラップ（中性原子を磁気モーメントでトラップする）が必要であるが、このトラップは非常に弱いことで知られている。トラップできるのは、運動エネルギーが 1 ケルビン未満の原子のみである。ATHENA および ATRAP (AD-2) プロジェクトでは、陽電子と反陽子の冷たいプラズマを融合して反水素を生成した。この方法は非常に成功しているが、トラップするには運動エネルギーが大きすぎる反物質原子も生成してしまう。さらに、これらの反物質原子に対してレーザー分光を行うには、原子が基底状態にある必要があるが、この技術で生成された反物質原子の大部分は基底状態にないようだ。

反陽子は反陽子減速器から受け取られ、多目的ペニングトラップ内で特別に設計された陽電子蓄積器からの陽電子と「混合」されます。混合と反水素形成が起こる中央領域は、超伝導八極磁石と、軸方向に分離された 2 つの短いソレノイド「ミラーコイル」に囲まれており、「最小B」磁気トラップを形成します。トラップされると、反水素は研究の対象となり、測定値は水素の測定値と比較されます。

捕捉された反水素を検出するために、ALPHA には「シリコン バーテックス検出器」も搭載されています。これは、3 層のシリコン ストリップで構成された円筒形の検出器です。各ストリップは、通過する荷電粒子の検出器として機能します。ストリップの励起状態を記録することで、ALPHA は検出器を通過する粒子のトレースを再構成できます。反陽子が消滅すると、通常、3 個または 4 個の荷電パイオンが放出されます。検出器を通したトレースを再構成することで、消滅の位置を特定できます。これらのトレースは、検出される宇宙線のトレースとはまったく異なりますが、高エネルギーのため、検出器をまっすぐに通過します。

捕捉が成功したことを確認するために、最小の B フィールドを生成する ALPHA 磁石は、急速かつ繰り返しの消磁を可能にするように設計されています。消磁中の電流の減衰は、9 ミリ秒という特徴的な持続時間を持ち、同様のシステムよりも桁違いに高速です。理論上、高速のターンオフ速度と偽の宇宙線信号を抑制する能力により、ALPHA は消磁中に単一の反水素原子の放出を検出できます。

反水素を扱う上での主な課題の1つは、反水素をトラップできるほど十分に冷却することです。反陽子と陽電子は極低温まで簡単には冷却できないため、ALPHAは原子物理学でよく知られている蒸発冷却という技術を実装しました。^[4] ALPHAが使用する最先端の最小Bトラップの深さは1ケルビンのオーダーです。

2013年に行われた予備実験では、反水素原子の重力質量は慣性質量の-65倍から110倍の間であることが判明しており、より冷たい反水素原子をより多く使用することで精度を向上させる余地がかなり残されている。^[5]

ALPHAは、1978年に初めて通常の物質で実証された技術として知られる反水素原子のレーザー冷却に成功しました。^{[6] [7] [8]}

2023年9月27日、ALPHAチームは、反物質の重力相互作用は通常の物質のものと似ているという予測を裏付ける論文を発表しました。一般相対性理論の弱等価原理が正しいためには、2つの物質が同一の重力特性を示すことが必要です。^{[2] [3]}この研究結果は、この分野の一部の研究者が以前に理論化した「反発[反重力]」を否定しています。

ALPHA の協力機関には以下の機関が含まれます。

INSPIRE-HEPにおけるALPHA実験の記録