反水素

2016年、ALPHA実験は反水素の2つの最低エネルギー準位、1s-2s間の原子電子遷移を測定した。実験分解能の範囲内で水素の結果と同一であるこの結果は、物質-反物質対称性とCPT対称性の考え方を支持するものである。^{[ 5 ]}

磁場が存在すると、1s-2s遷移はわずかに異なる周波数を持つ2つの超微細遷移に分裂する。研究チームは、閉じ込め体積内の磁場下における通常の水素の遷移周波数を次のように計算した。

f _dd =2 466 061 103 064 (2)  kHz

f _cc =2 466 061 707 104 (2)  kHz

s状態間の単一光子遷移は量子選択則によって禁止されているため、基底状態の陽電子を2sレベルに昇格させるために、閉じ込め空間は計算された遷移周波数の半分に調整されたレーザーで照射され、許容される2光子吸収が刺激された。

2s状態に励起された反水素原子は、その後、いくつかの方法で進化する可能性がある。

• それらは2つの光子を放出し、元の状態に直接戻ることができます。
• それらは別の光子を吸収し、原子をイオン化することができる。
• 陽電子は単一の光子を放出し、2p状態を経由して基底状態に戻ることができる。この場合、陽電子のスピンは反転することも、変化しないこともある。

イオン化とスピン反転のどちらの結果も、原子が閉じ込められた状態から脱出する原因となる。研究チームは、反水素が通常の水素と同じように振る舞うと仮定した場合、共鳴周波数照射中に、レーザー照射なしの場合と比較して、反水素原子の約半分が失われると計算した。レーザー光源を 遷移周波数の半分より200kHz低い周波数に調整した場合、計算された損失は、レーザー照射なしの場合とほぼ同じであった。

ALPHAチームは、反水素原子を複数生成し、600秒間保持した後、1.5秒かけて閉じ込め磁場を徐々に弱めながら、消滅した反水素原子の数を計測した。彼らはこれを3つの異なる実験条件下で行った。

• 共鳴：閉じ込められた反水素原子を、2つの遷移それぞれについて、遷移周波数のちょうど半分に調整されたレーザー光源に300秒間さらす。
• 非共鳴：閉じ込められた反水素原子を、2つの共鳴周波数より200キロヘルツ低い周波数に調整されたレーザー光源にそれぞれ300秒間照射する。
• レーザーなし：レーザー光を一切照射せずに反水素原子を閉じ込める。

非共鳴状態とレーザー照射なしという2つの制御は、レーザー照射自体が​​消滅反応を引き起こしていないことを確認するために必要だった。例えば、閉じ込め容器の表面から通常の原子が放出され、それが反水素と結合してしまうといったことが考えられる。

チームは3つのケースについて11回の実験を行い、非共鳴実験とレーザーなし実験の間には有意差は見られなかったが、共鳴実験後に検出されたイベント数が58%減少した。また、実験中に消滅イベントをカウントし、共鳴実験中に高いレベルが見られたものの、非共鳴実験とレーザーなし実験の間には有意差は見られなかった。この結果は通常の水素に基づく予測とよく一致しており、「200  pptの精度でCPT対称性を検証したものと解釈できる」^{[ 6 ] 。}

CERNのATRAPおよびATHENAコラボレーションによる実験では、ペニングトラップ内で陽電子と反陽子を結合させ、1秒間に100個の反水素原子という典型的な速度で合成が行われた。反水素は2002年にATHENAによって初めて生成され^{[ 20 ]}、その後ATRAPによって生成され^{[ 21 ]}、2004年までに数百万個の反水素原子が作られた。合成された原子は比較的高い温度（数千ケルビン）を持ち、その結果、実験装置の壁に衝突して消滅した。ほとんどの精密テストには長い観測時間が必要である。

ATHENAコラボレーションの後継であるALPHAは、反水素を安定的に捕捉するために設立されました。^{[ 19 ]}電気的には中性ですが、そのスピン磁気モーメントは不均一な磁場と相互作用します。一部の原子は、ミラー磁場と多重極磁場の組み合わせによって生成される磁気最小値に引き寄せられます。^{[ 22 ]}

2010年11月、ALPHAコラボレーションは、38個の反水素原子を6分の1秒間捕捉したと発表した^{[ 23 ]。}これは中性反物質の最初の閉じ込めである。2011年6月には、最大3個を同時に最大1,000秒間、309個の反水素原子を捕捉した^{[ 24 ]} 。その後、超微細構造、重力の影響、電荷を研究した。ALPHAは、ATRAP、 AEgIS 、GBAR実験とともに測定を継続する 。

2018年、AEgISは、わずか250ナノ秒の生成時間幅を持つ新しいパルス反水素原子源を生成しました。^{[ 25 ]} このパルス源は、パルス陽電子ビームをナノチャネルSiターゲットに注入し、レーザーパルスで励起することによって生成されたリュードベリ陽電子原子と、電磁トラップで捕捉、冷却、操作された反陽子との間の電荷交換反応によって生成されます。パルス生成により、反水素温度の制御、反水素ビームの形成が可能になり、次の段階では、原子干渉計、いわゆるモアレ偏向計を使用して重力挙動の精密測定が可能になります。

反重水素（D）、反三重水素（T）、反ヘリウム（He ）などのより大きな反物質原子は、生成がはるかに困難です。反重水素^{[ 26 ] [ 27 ]}、反ヘリウム3（³ヘリウム(H ) ^{[ 28 ] [ 29 ]}および反ヘリウム4( ⁴He ) 原子核^{[ 30 ]}は非常に高速で生成されているため、対応する原子の合成にはいくつかの技術的な障害があります。