反物質

現代物理学では、反物質は「通常の」物質の対応する粒子の反粒子（または「パートナー」）で構成される物質として定義され、 CPT反転として知られる、電荷、パリティ、時間が逆転した物質と考えることができます。反物質は宇宙線衝突やある種の放射性崩壊などの自然現象で発生しますが、実験で結合して反原子を形成することに成功したのはこれらのごく一部だけです。極微量の反粒子は粒子加速器で生成できますが、人工的に生成された総量はわずか数ナノグラムです。^{[1]製造と取り扱いのコストと難しさが非常に高いため、}マクロ的な量の反物質が組み立てられたことはありません。それでも、反物質は、陽電子放出断層撮影、放射線療法^[要出典]、産業用画像処理 など、ベータ崩壊に関連する広く利用可能なアプリケーションに不可欠な要素です。

理論的には、粒子とその反粒子（例えば、陽子と反陽子）は質量は同じですが、電荷は反対であり、量子数にはその他の違いがあります。

いかなる粒子と反粒子の衝突も、それらの相互消滅につながり、さまざまな割合の強力な光子（ガンマ線）、ニュートリノ、そして時にはより質量の小さい粒子と反粒子のペアが発生します。消滅の全エネルギーの大部分は、電離放射線の形で現れます。周囲に物質が存在する場合、この放射線のエネルギー内容は吸収され、熱や光などの他の形態のエネルギーに変換されます。放出されるエネルギーの量は通常、衝突した物質と反物質の合計質量に比例し、有名な質量エネルギー等価方程式、E = mc ²に従います。^[2]

反粒子は、通常の粒子が結合して通常の物質を形成するのと同じように、互いに結合して反物質を形成します。たとえば、陽電子（電子の反粒子）と反陽子（陽子の反粒子）は反水素原子を形成できます。反ヘリウムの原子核は、困難ではあるものの人工的に生成されており、これまでに観測された中で最も複雑な反原子核です。^[3]物理原理によれば、複雑な反物質原子核や、既知の化学元素に対応する反原子核が存在する可能性があります。

観測可能な宇宙は、物質と反物質が同量混ざっているのではなく、ほぼ完全に通常の物質で構成されているという強力な証拠があります。 ^{[4]可視宇宙における}物質と反物質のこの非対称性は、物理学における未解決の大きな問題の一つです。^[5]物質と反物質粒子間のこの不平等が発生したと仮定されるプロセスは、バリオン生成と呼ばれます。

反物質粒子は物質粒子と同じ電荷を帯びますが、符号が逆です。つまり、反陽子は負に帯電し、反電子（陽電子）は正に帯電します。中性子は正味の電荷を帯びませんが、その構成粒子であるクォークは電荷を帯びます。陽子と中性子の重粒子数は +1 ですが、反陽子と反中性子の重粒子数は –1 です。同様に、電子のレプトン数は +1 ですが、陽電子のレプトン数は –1 です。粒子とそれに対応する反粒子が衝突すると、両方ともエネルギーに変換されます。^{[6] [7] [8]}

「反物質でできている、または反物質に関連する」という意味のフランス語contraterreneは、頭文字「CT」とSF用語seetee ^[9]につながり、Seetee Shipなどの小説で使用されています。^[10]

負の物質という考えは、現在では放棄されている過去の物質理論に現れている。かつて人気があった重力の渦理論を用いて、負の重力を持つ物質の可能性は、1880年代にウィリアム・ヒックスによって議論された。1880年代から1890年代にかけて、カール・ピアソンはエーテルの流れの「噴出」 ^[11]と沈み込みの存在を提唱した。噴出は通常の物質を表し、沈み込みは負の物質を表した。ピアソンの理論では、エーテルが流れ出たり流れ込んだりするための4次元が必要だった。^[12]

反物質という用語は、 1898年にアーサー・シュスターがネイチャー誌に送った2通のかなり風変わりな手紙の中で初めて使われた。 ^[13]この中で彼はこの用語を作った。彼は反原子や反物質の太陽系全体を仮定し、物質と反物質が互いに消滅する可能性について論じた。シュスターの考えは真剣な理論的提案ではなく、単なる推測であり、以前の考えと同様に、反物質が負の重力を持つという点で現代の反物質の概念とは異なっていた。^[14]

反物質の現代理論は、1928年にポール・ディラックの論文^[15]から始まった。ディラックは、電子に対するシュレーディンガー波動方程式の相対論的バージョンが反電子の可能性を予測していることを認識した。ディラックはこれらの「反電子」の存在の基礎を築いていたが、当初は自身の方程式に含まれる意味を理解できなかった。彼はその洞察の功績をJ・ロバート・オッペンハイマーに惜しみなく与えた。オッペンハイマーの画期的な論文「電子と陽子の理論について」（1930年2月14日）はディラックの方程式を引用し、正に帯電した電子（陽電子）の存在を主張した。陽電子は電子の相手として電子と同じ質量を持つはずである。これは、ディラックが実際に示唆したように陽子ではあり得ないことを意味した。ディラックはさらに1931年の論文で反物質の存在を仮定し、その中で陽電子を「反電子」と呼んだ。^{[16] [17]}これらは1932年にカール・D・アンダーソンによって発見され、「正の電子」から陽電子と名付けられました。ディラック自身は反物質という用語を使用していませんでしたが、反電子、反陽子などから自然に使用されました。^[18]反物質の完全な周期表は1929年にチャールズ・ジャネットによって構想されました。 ^[19]

ファインマン・シュテュッケルベルク解釈によれば、反物質と反粒子は通常の粒子と全く同じように振る舞うが、時間的に逆方向に移動する。^{[説明が必要] [20]}この概念は現在、現代の素粒子物理学において、ファインマン図で使用されている。^[21]

反粒子を表す方法の一つは、粒子の記号の上にバーを追加することである。例えば、陽子と反陽子は次のように表される。
p
そして
p
、それぞれである。粒子をその構成要素で呼ぶ場合も同じ規則が当てはまる。陽子は
あなた

あなた

d
クォークなので反陽子は
あなた

あなた

d
反クォーク。もう一つの慣習は、正と負の電荷で粒子を区別することです。したがって、電子と陽電子は単に次のように表記されます。
e⁻
そして
e⁺
それぞれです。ただし、混乱を避けるために、2 つの規則が混在することはありません。

物質と反物質の重力挙動には違いはありません。言い換えれば、反物質は落下すると上に落ちるのではなく下に落ちます。これは、超伝導電磁コイルに囲まれた垂直シャフトに閉じ込められた数千の反水素原子の薄くて非常に冷たいガスで確認されました。これらは磁気ボトルを作成し、反物質が物質と接触して消滅するのを防ぎます。研究者はその後、磁場を徐々に弱め、2つのセンサーを使用して反原子が逃げて消滅するのを検出しました。反原子のほとんどは下部の開口部から出てきましたが、上部からは4分の1だけが出て来ました。^[22]

反粒子が電荷（電荷や重粒子電荷など）ごとに異なる符号を持つという事実を別にすれば、物質と反物質はまったく同じ性質を持つと信じるに足る理論的根拠がある。^{[23] [24]}これは、粒子とそれに対応する反粒子が、同じ質量と崩壊寿命（不安定な場合）を持つ必要があることを意味する。また、例えば、反物質でできた星（「反星」）が普通の星と同じように輝くことも意味する。^{[25]この考えは、2016年に}ALPHA実験によって実験的にテストされ、反水素の2つの最低エネルギー状態間の遷移が測定された。水素の結果と同一の結果は、反物質に対する量子力学の妥当性を裏付けた。^{[26] [27]}

地球から観測できるほとんどのものは反物質ではなく物質でできているようだ。もし宇宙に反物質が優勢な領域が存在するなら、物質と反物質の境界に沿った消滅反応で生成されるガンマ線が検出できるだろう。^[28]

反粒子は、高エネルギー粒子の衝突が起こる宇宙のあらゆる場所で生成される。高エネルギー宇宙線が地球の大気（または太陽系の他の物質）に衝突すると、結果として生じる粒子ジェットの中に微量の反粒子が生成され、近くの物質との接触によって直ちに消滅する。反粒子は、非常にエネルギーの高い天体現象（主に相対論的ジェットと星間物質の相互作用）が発生する天の川銀河の中心やその他の銀河などの領域でも同様に生成される可能性がある。生成された反物質の存在は、陽電子が近くの物質と消滅するたびに生成される2 つのガンマ線によって検出できる。ガンマ線の 周波数と波長から、各ガンマ線は 511 keVのエネルギー（つまり、電子の静止質量にc ²を掛けたもの）を運ぶことがわかる。

欧州宇宙機関のINTEGRAL衛星による観測により、銀河中心を取り囲む巨大な反物質雲の起源が説明できるかもしれない。観測によると、この雲は非対称で、X線連星（ブラックホールや中性子星を含む連星系）のパターンと一致しており、そのほとんどは銀河中心の片側にある。そのメカニズムは完全には解明されていないが、通常の物質が恒星残骸に落ち込む際に運動エネルギーを得るため、電子陽電子対の生成が関与している可能性が高い。^{[29] [30]}

宇宙の原始時代のインフレーションにより、はるか遠くの銀河には反物質が比較的多く存在する可能性がある。反物質銀河が存在する場合、通常の物質銀河と同じ化学的性質と吸収・発光スペクトルを持つと予想され、その天体は観測的に同一であるため、区別が困難である。^[31] NASAは、衝突する 超銀河団における消滅イベントのX線とガンマ線の兆候を探すことで、そのような銀河が存在するかどうかを判断しようとしている。^[32]

2017年10月、CERNのBASE実験に携わる科学者たちは、反陽子の磁気モーメントを1.5ppbの精度で測定したと報告した。^{[33] [34]}これは、陽子の磁気モーメントの最も正確な測定値（同じくBASEが2014年に実施したもの）と一致しており、CPT対称性の仮説を裏付けている。この測定は、反物質の特性が物質の同等の特性よりも正確に判明した初めてのケースである。

反物質量子干渉計は、2018年にイタリアのコモにあるラファエル・フェラグートの陽電子研究所（L-NESS）で、マルコ・ジャマルキ率いるグループによって初めて実証されました。^[35]

陽電子は、天然の放射性同位元素（例えばカリウム40 ）のβ ⁺崩壊や、ガンマ量子（放射性原子核から放出される）と物質との相互作用で自然に生成される。反ニュートリノは、自然放射能（β崩壊）によって生成される別の種類の反粒子である^。また、宇宙線によって（そして宇宙線に）多くの異なる種類の反粒子が生成される。2011年1月、アメリカ天文学会による研究で、雷雲の上から発生する反物質（陽電子）が発見された。陽電子は、雲内の強い電場によって加速された電子によって生成される地上のガンマ線フラッシュで生成される。^{[36] [37]反陽子は、} PAMELAモジュールによって地球の周りのヴァン・アレン帯に存在することも発見されている。^{[38] [39]}

反粒子は、十分に高い温度（平均粒子エネルギーが対生成閾値より大きい）のあらゆる環境でも生成される。宇宙が極めて高温高密度であったバリオン生成の期間中、物質と反物質が継続的に生成され消滅したと仮定されている。残留物質が存在し、検出可能な反物質が存在しない状態^[40]は、バリオン非対称性と呼ばれる。バリオン生成中にこの非対称性を生み出した正確なメカニズムは、未解決の問題のままである。この非対称性に必要な条件の1つは、 CP対称性の破れであり、これは弱い相互作用で実験的に観測されている。

最近の観測によると、ブラックホールと中性子星はジェットを介して大量の陽電子-電子プラズマを生成していることが示唆されている。^{[41] [42]}

衛星実験により、一次宇宙線に陽電子と少数の反陽子が存在する証拠が見つかったが、これは一次宇宙線に含まれる粒子の 1% 未満に過ぎない。この反物質は、すべてビッグバンで生成されたわけではなく、高エネルギーでの周期的プロセスによって生成されたと考えられている。たとえば、電子陽電子対はパルサーで形成される可能性がある。これは、磁化された中性子星の自転周期によって電子陽電子対が星の表面から切り離されるためである。その中で反物質は風を形成し、それが前駆超新星の噴出物に衝突する。この風化は、「星によって放出された冷たい磁化された相対論的風が、非相対論的に膨張する噴出物に衝突し、衝撃波システムが形成される。外側の衝撃波は噴出物に伝播し、逆の衝撃波は星に向かって伝播する」ときに起こる。^[43]前者の外側の衝撃波での物質の放出と後者の逆衝撃波での反物質の生成は、宇宙天気サイクルにおけるステップです。

国際宇宙ステーションに搭載され、現在稼働中のアルファ磁気スペクトロメータ（AMS-02 ）の予備結果によると、宇宙線中の陽電子は方向性を持たず、エネルギーは10 GeVから250 GeVの範囲にある。2014年9月、ほぼ2倍のデータを含む新しい結果がCERNでの講演で発表され、Physical Review Lettersに掲載された。^{[44] [45]} 500 GeVまでの陽電子分率の新しい測定が報告され、陽電子分率が275 ± 32 GeV付近のエネルギーで、電子+陽電子イベント全体の約16%で最大になることが示された。500 GeVまでのより高いエネルギーでは、陽電子と電子の比率は再び低下し始める。陽電子の絶対的なフラックスも500 GeVより前に減少し始めるが、電子のエネルギーよりもはるかに高いエネルギーでピークに達し、電子のエネルギーは約10 GeVでピークに達する。^{[46]これらの解釈結果は、大質量}暗黒物質粒子の消滅イベントにおける陽電子生成によるものであると示唆されている。^[47]

宇宙線反陽子も、通常の物質の陽子よりもはるかに高いエネルギーを持っています。反陽子は、2GeVという最大エネルギー特性を持って地球に到達します。これは、平均して6分の1のエネルギーしかない宇宙線陽子とは根本的に異なるプロセスで生成されたことを示しています。^[48]

宇宙線中の反ヘリウム核（反アルファ粒子）などのより大きな反物質核の探索が進行中である。天然の反ヘリウムの検出は、反星などの大きな反物質構造の存在を示唆する可能性がある。AMS -02のプロトタイプであるAMS-01は、1998年6月にスペースシャトル ディスカバリー号のSTS-91で宇宙に打ち上げられた。反ヘリウムを全く検出しなかったAMS-01は、反ヘリウムとヘリウムのフラックス比の上限を1.1×10 ⁻⁶とした。^[49] AMS-02は2016年12月に、数十億のヘリウム核の中に反ヘリウム核と一致する信号をいくつか発見したことを明らかにした。この結果はまだ検証されておらず、2017年現在、チームは汚染を排除しようとしている。^[50][update]

2008年11月、ローレンス・リバモア国立研究所で大量の陽電子が生成されたことが報告された^{[51] 。}レーザーが金の標的の原子核に電子を通すと、入射した電子はエネルギー量子を放出し、それが物質と反物質の両方に崩壊した。陽電子は、これまで実験室で検出されたものよりも高い割合と高密度で検出された。以前の実験では、レーザーと紙のように薄い標的を使用して少量の陽電子を生成していたが、新しいシミュレーションでは、超強力レーザーの短いバーストと数ミリメートルの厚さの金の方がはるかに効果的な発生源であることが示された。^[52]

2023年、オックスフォード大学の研究者らが欧州原子核研究機構（ CERN ）の高放射線物質照射施設（HRMT） ^[53]と共同で、初の電子陽電子ビームプラズマの生成が報告された。^[54]このビームは、実験室環境でこれまでに達成された最高の陽電子収量を実証した。この実験では、スーパープロトンシンクロトロンからの440 GeV陽子ビームと陽子を使用し、炭素とタンタルで構成された粒子変換器に照射した。これにより、粒子シャワープロセスによって完全な電子陽電子対が生成された。生成されたペアビームは、複数のデバイ球を満たす体積を持ち、したがって集団プラズマ振動を維持することができる。^[54]${\displaystyle 3\times 10^{11}}$${\displaystyle 1.5\times 10^{13}}$

反陽子の存在は1955年にカリフォルニア大学バークレー校の 物理学者 エミリオ・セグレとオーウェン・チェンバレンによって実験的に確認され、この功績により1959年のノーベル物理学賞を受賞した。^[55]反陽子は2つのアップ反クォークと1つのダウン反クォーク（
あなた

あなた

d
）。測定された反陽子の特性は、反陽子が陽子と反対の電荷と磁気モーメントを持つことを除いて、すべて陽子の対応する特性と一致している。その後まもなく、1956年にブルース・コークと同僚はベバトロン（ローレンス・バークレー国立研究所）での陽子-陽子衝突で反中性子を発見した。^[56]

反重粒子に加えて、複数の反陽子と反中性子が結合した反原子核も生成されている。これらは通常、反物質原子（電子の代わりに陽電子が結合した状態）を形成するには高すぎるエネルギーで生成される。1965年、アントニーノ・ジチチ率いる研究者グループは、欧州原子核研究機構（CERN）の陽子シンクロトロンで反重水素の原子核が生成されたと報告した。^{[57]ほぼ同じ時期に、}ブルックヘブン国立研究所の交番勾配シンクロトロンでアメリカの物理学者グループが反重水素の原子核の観測を報告した。^[58]

1995年、CERNはPS210実験中にSLAC / Fermilabのコンセプトを実装することで、9つのホットな反水素原子を生成することに成功したと発表した。この実験は低エネルギー反陽子リング（LEAR）を使用して行われ、ウォルター・オエラートとマリオ・マクリが主導した。^[59]フェルミ研究所はすぐにCERNの発見を確認し、施設で約100個の反水素原子を生成した。PS210とその後の実験（CERNとフェルミ研究所の両方で）中に生成された反水素原子は極めてエネルギーが強く、研究には適していなかった。このハードルを解決し、反水素をより深く理解するために、1990年代後半に2つの共同研究、すなわちATHENAとATRAPが結成された。

1999年、CERNは反陽子を減速できる装置である反陽子減速器を稼働させた。3.5  GeVから5.3 MeV  – 研究に有効な反水素を生成するにはまだ「熱すぎる」が、大きな前進である。2002年後半、ATHENAプロジェクトは世界初の「冷たい」反水素を生成したと発表した。^[60] ATRAPプロジェクトは、その直後に同様の結果を発表した。^[61]これらの実験で使用された反陽子は、反陽子減速器で減速し、薄い箔を通過させ、最終的にペニング・マルムベルグトラップで捕捉することで冷却された。^[62]全体的な冷却プロセスは実行可能であるが、非常に非効率的である。約2500万個の反陽子が反陽子減速器から出て、約25,000個がペニング・マルムベルグトラップに到達する。これは、⁠1/1000⁠または元の金額の0.1%。

反陽子は、最初に捕らえられたときはまだ熱い。さらに冷却するために、反陽子は電子プラズマに混ぜられる。このプラズマ内の電子はサイクロトロン放射によって冷却され、その後クーロン衝突によって反陽子を共鳴的に冷却する。最終的に、電子は短時間の電界の印加によって除去され、反陽子のエネルギーは100  meV。^[63]反陽子が最初のトラップで冷却されている間に、小さな陽電子の雲が、スルコ型陽電子蓄積装置内の放射性 ナトリウムから捕捉される。 ^[64]この雲は、次に反陽子の近くにある2番目のトラップで再捕捉される。トラップ電極を操作すると、反陽子が陽電子プラズマに傾き、そこで一部は反陽子と結合して反水素を形成する。この中性反水素は、荷電陽電子と反陽子をトラップするために使用される電場と磁場の影響を受けず、数マイクロ秒以内に反水素はトラップの壁に衝突して消滅する。数億個の反水素原子がこの方法で作られている。

2005年にATHENAは解散し、元メンバーの一部は（他のメンバーとともに） CERNを拠点とするALPHAコラボレーションを結成した。このプロジェクトの最終目標は、水素と反水素の原子スペクトルの比較を通じてCPT対称性をテストすることである（水素スペクトルシリーズを参照）。^[65]

反水素の特性を調べるための求められている高精度のテストのほとんどは、反水素がトラップされた、つまり比較的長時間その場に留められた場合にのみ実行できる。反水素原子は電気的に中性であるが、その構成粒子のスピンは磁気モーメントを生成する。これらの磁気モーメントは不均一磁場と相互作用することができ、反水素原子の一部は磁気極小値に引き寄せられることがある。このような磁気極小値は、鏡像場と多重極場の組み合わせによって作り出すことができる。^[66]反水素はこのような磁気極小値（極小B）トラップに閉じ込めることができ、2010年11月、ALPHA共同研究グループは、38個の反水素原子を約6分の1秒間このようにトラップしたと発表した。^{[67] [68]}中性反物質がトラップされたのはこれが初めてであった。

2011年4月26日、ALPHAは309個の反水素原子を捕獲したと発表した。そのうちのいくつかは1,000秒（約17分）も捕獲された。これは中性反物質が捕獲された時間としてはこれまでで最長だった。^[69] ALPHAは捕獲した原子を使って反水素のスペクトル特性の研究を開始した。^[70]

2016 年に、ELENA (超低エネルギー反陽子減速器) と呼ばれる新しい反陽子減速器と冷却器が建設されました。これは反陽子を反陽子減速器から取り出し、研究に十分な「冷却」である 90 keV まで冷却します。この装置は、高エネルギーを使用してチャンバー内の粒子を加速することで機能します。1 秒あたり 100 個を超える反陽子を捕捉できます。これは大きな進歩ですが、それでも 1ナノグラムの反物質を作るには数千年かかります。

反物質の大規模生産における最大の制限要因は反陽子の入手可能性である。CERNが最近発表したデータによると、施設が完全に稼働すれば、毎分1000万個の反陽子を生産できるという。^[71]反陽子が反水素に100%変換されると仮定すると、1グラムまたは1モルの反水素（およそ反物質の量はフェルミ国立加速器研究所の100万^個に匹敵する。しかし、CERNが生産する反物質の量はフェルミ国立加速器研究所の1％に過ぎず、どちらも反物質を生産するようには設計されていない。ジェラルド・ジャクソンによれば、現在すでに使用されている技術を使用すれば、施設当たり年間6億7000万ドルのコストで、年間20グラムの反物質粒子を生産・捕獲することができるという。^[72]

反ヘリウム3核（³
彼
）は、1970年代に高エネルギー物理学研究所（ソ連モスクワ近郊のプロトヴィノ）の陽子・原子核衝突実験でY.プロコシュキンのグループによって初めて観測され^[73]、後に原子核衝突実験で生成された。^[74]原子核同士の衝突では、これらの反応で生成された反陽子と反中性子が合体して反原子核が生成される。2011年にSTAR検出器は、人工的に生成された反ヘリウム4原子核（反アルファ粒子）（⁴
彼
）はそのような衝突から保護される。^[75]

国際宇宙ステーションのアルファ磁気分光計は、2021年現在、反ヘリウム3の検出を示唆すると思われる8つのイベントを記録しています。^{[76] [77]}

反物質は、通常の物質でできた容器には保管できない。反物質は触れた物質と反応し、反物質自身と容器内の同量の物質を消滅させるからである。荷電粒子の形の反物質は、ペニングトラップと呼ばれる装置で電場と磁場の組み合わせによって封じ込めることができる。しかし、この装置は、原子トラップを使用する非荷電粒子からなる反物質を封じ込めることはできない。特に、このようなトラップは、トラップされた粒子の双極子モーメント（電気または磁気）を利用することができる。高真空では、磁気光学トラップまたは磁気トラップを使用して、わずかに共鳴していないレーザー放射で物質または反物質粒子をトラップして冷却することができる。また、高度に焦点を絞ったレーザービームを使用して、光ピンセットで小さな粒子を浮かせることもできる。^[78]

2011年、CERNの科学者は反水素を約17分間保存することができました。^[79]反粒子の保存記録は現在、CERNのTRAP実験によって保持されています。反陽子はペニングトラップで405日間保存されました。^[80] 2018年には、10億個の反陽子をポータブルデバイスに収容し、別の研究室に運んでさらなる実験を行うのに十分な高度な封じ込め技術を開発するという提案がなされました。^[81]

科学者たちは、反物質は製造コストが最も高い物質だと主張している。^[82] 2006年、ジェラルド・スミスは10ミリグラムの陽電子を製造するのに2億5000万ドルかかると見積もった^[83]（1グラムあたり250億ドルに相当）。1999年、NASAは反水素1グラムあたり62.5兆ドルという数字を示した。^[82]これは製造が難しい（粒子加速器の反応で生成される反陽子はごくわずか）ことと、粒子加速器の他の用途に対する需要が高いためである。CERNによると、約10億分の1グラム（これまで粒子/反粒子衝突に使用された量）を製造するのに数億スイスフランかかった。 ^{[84]比較すると、最初の原子兵器を製造するために、}マンハッタン計画のコストは2007年のインフレを考慮して230億ドルと見積もられた。^[85]

NASAイノベーティブ・アドバンスト・コンセプツが資金提供しているいくつかの研究では、磁気スクープを使用して、地球のヴァン・アレン帯、そして最終的には木星のような巨大ガス惑星の帯に自然に発生する反物質を、理想的にはグラムあたりのコストを低く抑えて収集できるかどうかを検討しています。^[86]

物質-反物質反応は、陽電子放出断層撮影（PET）などの医療画像診断に実用化されている。正のベータ崩壊では、核種は陽電子を放出することで余剰の正電荷を失う（同じイベントで陽子が中性子になり、ニュートリノも放出される）。余剰の正電荷を持つ核種はサイクロトロンで簡単に作ることができ、医療用に広く生成されている。反陽子は、現在イオン（陽子）治療に使用されているのと同様の方法で、特定の癌を治療する可能性を実験室実験で示している。^[87]

分離・貯蔵された反物質は、反物質触媒核パルス推進や他の反物質ロケットの一部として、惑星間または恒星間旅行の燃料として使用することができます^[88]。反物質のエネルギー密度は従来の燃料よりも高いため、反物質燃料の宇宙船は従来の宇宙船よりも高い推力対重量比を持つことになります。

物質と反物質の衝突が光子の放出のみを生む場合、粒子の静止質量全体が運動エネルギーに変換される。単位質量あたりのエネルギー（9 × 10 ¹⁶  J/kg）は化学エネルギーよりも約10桁大きく、^{[89]今日、}核分裂によって解放できる核ポテンシャルエネルギー（約核分裂反応あたり200MeV ^[90]または8 × 10 ¹³  J/kg ）、核融合から期待される最高の結果（約6.3 × 10 ¹⁴  J/kg （陽子-陽子鎖の場合）。1kg の反物質と1kgの物質は1.8 × 10 ¹⁷  J (180ペタジュール) のエネルギー (質量エネルギー等価式E = mc ²による)、または TNT 火薬 43 メガトンにほぼ相当します。これは、史上最大の熱核兵器である 27,000 kg のツァーリ・ボンバの威力よりわずかに小さいものです。

消滅生成物の性質上、そのエネルギーのすべてを現実的な推進技術で利用できるわけではない。電子と陽電子の反応はガンマ線光子をもたらすが、これを誘導して推進力として利用するのは困難である。陽子と反陽子の反応では、そのエネルギーは主に相対論的な中性パイ中間子と荷電パイ中間子に変換される。中性パイ中間子はほぼ即座に（寿命は 85アト秒）高エネルギー光子に崩壊するが、荷電パイ中間子はよりゆっくりと（寿命は 26 ナノ秒）崩壊し、磁気的に偏向させて推進力を生み出すことができる。

荷電パイ中間子は最終的にニュートリノ（荷電パイ中間子のエネルギーの約22%を運ぶ）と不安定な荷電ミュー中間子（荷電パイ中間子のエネルギーの約78%を運ぶ）の組み合わせに崩壊し、ミュー中間子は電子、陽電子、ニュートリノの組み合わせに崩壊する（ミュー中間子の崩壊を参照。この崩壊で生じるニュートリノはミュー中間子のエネルギーの約2/3を運ぶため、元の荷電パイ中間子から何らかの経路でニュートリノに変換されるエネルギーの合計割合は約0.22 + (2/3)⋅0.78 = 0.74となる）。^[91]

反物質は核兵器の起爆装置として考えられてきた。^[92]大きな障害は反物質を十分な量生産することが難しいことであり、それが実現可能になるという証拠はない。^[93]それにもかかわらず、冷戦中にアメリカ空軍は反物質の物理学の研究に資金を提供し、起爆装置としてだけでなく爆発物そのものとして兵器に使用する可能性を検討し始めた。^[94]

• アルヴェーン・クライン宇宙論 – 宇宙の非標準的なモデル。電離ガスの役割を強調するPages displaying short descriptions of redirect targets
• 反物質彗星 – 仮想物体
• 反物質の重力相互作用 – 反物質の重力理論
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