反物質

負の物質の概念は、現在では放棄されている過去の物質理論に登場します。かつて人気だった渦重力理論を用いて、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ました。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「スクワート」 ^{[ 13 ]}とシンクの存在を提唱しました。スクワートは通常の物質を表し、シンクは負の物質を表していました。ピアソンの理論では、エーテルが流れ込むための第4次元が必要でした。^{[ 14 ]}

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やや風変わりな2通の手紙で初めて使用され、 ^{[ 15 ]}彼はその手紙の中でこの用語を造語した。彼は反原子や反物質の太陽系全体を仮説として立て、物質と反物質が互いに消滅する可能性について議論した。シュスターの考えは真剣な理論的提案ではなく、単なる憶測であり、以前の考えと同様に、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。^{[ 16 ]}

現代の反物質理論は、1928年にポール・ディラックの論文^{[ 17 ]}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に気づいた。ディラックはこれらの「反電子」の存在の基礎を築いたものの、当初は自身の方程式に含まれる意味合いに気づかなかった。彼はその洞察の功績をJ・ロバート・オッペンハイマーに譲った。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に基づいて、電子の対となる正電荷を持つ電子（陽電子）の存在を主張した。これは、ディラックが実際に示唆したように陽子であるはずがないことを意味した。ディラックはさらに、1931年の論文で陽電子を「反電子」と呼び、反物質の存在を仮定した。^{[ 18 ] [ 19 ]}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ませんでしたが、その使用は反電子、反陽子などから自然に導き出されます。^{[ 20 ]}

ファインマン・シュトゥッケルベルク解釈によれば、反粒子は通常の粒子と同じ運動方程式に従うが、電荷、パリティ、および時間が反転している。これにより、時間を反転させたファインマン図を使用して反粒子を解析することができる。^{[ 21 ]}

1932年にカール・アンダーソンが陽電子を発見してから、次の反物質粒子が発見されるまで22年かかった。^{[ 22 ]} 1955年にチェンバレン、セグレ、ウィーガント、イプシランティスが反陽子 の発見を発表し、1956年にコーク、ランバートソン、ピッチオーニ、ウェンゼルが反中性子を発見した。両チームともカリフォルニア州バークレーのベバトロンを使用した。^{[ 23 ]}

反物質の発見は、反惑星、反星、反銀河といった天体に関する科学的およびSF的な憶測を生んだ。コロンビア大学のレオン・レーダーマンは、反惑星に知的生命体が存在する可能性さえ推測した。反銀河の概念は、バリオン非対称性問題の説明にも用いられた。ビッグバンモデルの素粒子物理学では、なぜ我々の宇宙には反物質よりも物質が多いのかを説明できない。 モーリス・ゴールドハーバーは、宇宙は反物質ではなく物質で構成されているのは、それぞれのタイプの宇宙が時間の始まりに分裂したためだと示唆した。1970年代までに、非対称性問題は未解決として受け入れられ、反銀河の可能性はほぼ放棄された。^{[ 24 ]}

衛星実験により、一次宇宙線中に陽電子と少数の反陽子が存在する証拠が発見されたが、これは一次宇宙線中の粒子の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ものではなく、高エネルギーでの周期的な過程によって生成されたと考えられている。例えば、パルサーでは、磁化された中性子星の自転サイクルによって電子・陽電子対が星の表面から引き剥がされることで、電子・陽電子対が形成される可能性がある。そこで反物質は風を形成し、前駆超新星の噴出物に衝突する。この風化作用は、「星から放出された冷たく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、衝突によって衝撃波系が形成される。外側の衝撃波は噴出物中を伝播し、逆方向の衝撃波は星に向かって伝播する」ことで起こる。^{[ 48 ]}外側衝撃波における物質の放出と、逆衝撃波における反物質の生成は、宇宙天気サイクルの段階である。

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）の予備的な結果によると、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の範囲で到達することが示されています。2014年9月、ほぼ2倍のデータを用いた新たな結果がCERNでの講演で発表され、Physical Review Lettersに掲載されました。^{[ 49 ] [ 50 ]} 500 GeVまでの陽電子の割合の新しい測定が報告され、陽電子の割合は、エネルギー約275 ± 32 GeV付近で、全電子+陽電子イベントの約16%で最大となることが示されました。500 GeVまでの高エネルギーでは、陽電子と電子の比率は再び低下し始めます。陽電子の絶対フラックスも500 GeVより前に減少し始めますが、ピークは電子エネルギー（約10 GeVでピーク）よりもはるかに高いエネルギーで発生します。^{[ 51 ]}これらの結果は、質量のある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と解釈されています。^{[ 52 ]}    

宇宙線反陽子は、通常の物質の対応物（陽子）よりもはるかに高いエネルギーを持っています。地球に到達する際、その特徴的なエネルギーの最大値は2  GeVであり、平均してその6分の1のエネルギーしか持た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ていることを示しています。^{[ 53 ]}

宇宙線中の反ヘリウム原子核（すなわち反アルファ粒子）などのより大きな反物質原子核の探索が続けられている。天然の反ヘリウムの検出は、反星のような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ミッションで宇宙に打ち上げられた。AMS -01は反ヘリウムを全く検出しなかったため、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^。 [ ^{54 ] AMS} -02は2016年12月に、数十億個のヘリウム原子核の中に反ヘリウム原子核と一致するいくつかの信号を発見したと発表した。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の可能性を排除しようとしている。^{[ 55 ]}

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と報告された^{[ 56 ]} 。レーザーが金の標的の原子核に電子を照射し、入射した電子が物質と反物質の両方に崩壊するエネルギー量子を放出した。陽電子は、これまで実験室で検出された中で最も高い割合と密度で検出された。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が生成されていたが、新しいシミュレーションでは、超高強度レーザーの短いパルスとミリメートル厚の金がはるかに効果的な発生源であることが示されている^{[ 57 ] 。}

2023年、オックスフォード大学の研究者らがCERNの高放射線材料（HRMT）^{[ 58 ]}施設と共同で行った研究により、初の電子・陽電子ビームプラズマの生成が報告された。^{[ 59 ]}このビームは、実験室環境でこれまでに達成された中で最高の陽電子収量を示した。この実験では、440 GeVの陽子ビームが使用され、$3×10¹¹$超陽子シンクロトロンからの陽子を炭素とタンタルからなる粒子変換器に照射した。これにより合計$1.5×10¹³$粒子シャワー過程による電子-陽電子対。生成された対ビームは複数のデバイ球を満たす体積を持ち、集団プラズマ振動を維持することができる。^{[ 59 ]}

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、彼らはその功績により 1959 年のノーベル物理学賞を受賞しました。^{[ 60 ]}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 ( u u d ) から構成されています。測定された反陽子の特性はすべて陽子の対応する特性と一致していますが、反陽子は陽子とは反対の電荷と磁気モーメントを持っています。その直後の 1956 年に、ブルース・コークと同僚によって、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が発見されました。^{[ 61 ]}

反バリオンに加えて、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ている）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・ジキチ率いる研究者グループがCERNの陽子シンクロトロンで反重水素原子核の生成を報告した。^{[ 62 ]}ほぼ同時期に、ブルックヘブン国立研究所の交互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原子核の観測を報告した。^{[ 63 ]}

1995年、CERNはPS210実験中にSLAC /フェルミラボのコンセプトを実装して9個の高温反水素原子の生成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。^{[ 64 ]}フェルミラボはすぐに、施設で約100個の反水素原子を生成することでCERNの発見を確認した。PS210とその後の実験（CERNとフェルミラボの両方）で生成された反水素原子は非常に高エネルギーで、研究には適していなかった。この障害を解決し、反水素についてよりよく理解するために、1990年代後半にATHENAとATRAPという2つのコラボレーションが結成された。

1999年、CERNは反陽子減速器を稼働させた。これは反陽子を減速できる装置である。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「低温」反水素を生成したと発表した。^{[ 65 ]} ATRAPプロジェクトはその後まもなく同様の結果を発表した。^{[ 66 ]}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、薄い箔シートを通過させ、最後にペニング・マルムバーグトラップで捕獲することで冷却された。^{[ 67 ]}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2万5000 個がペニング・マルムバーグトラップに到達するが、これは元の量の約1/1000 、つまり0.1%である。

反陽子は最初に捕捉された時点ではまだ高温である。さらに冷却するために、電子プラズマに混合される。このプラズマ中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冷却する。最終的に、短時間の電場を印加することによって電子が除去され、反陽子のエネルギーは1000未満となる。100 meV 。^{[ 68 ]}反陽子が最初のトラップで冷却されている間に、放射性ナトリウムから小さな陽電子雲がサーコ型陽電子蓄積器で捕獲される。^{[ 69 ]}この雲は、反陽子の近くにある2番目のトラップで再び捕獲される。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、そこで一部が反陽子と結合して反水素を形成する。この中性の反水素は、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壁に衝突して消滅する。この方法で数億個の反水素原子が作られてきた。

2005年にATHENAは解散し、元メンバーの一部（およびその他）がCERNに拠点を置くALPHAコラボレーションを結成した。この取り組みの最終目標は、水素と反水素の原子スペクトルを比較することによってCPT対称性を検証することである（水素スペクトル系列を参照）。^{[ 70 ]}

反水素の特性に関する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、つまり比較的長い時間その場に保持された場合にのみ実行できます。反水素原子は電気的に中性ですが、その構成粒子のスピンは磁気モーメントを生成します。これらの磁気モーメントは不均一な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最小値に引き寄せられる可能性があります。このような最小値は、ミラー場と多重極場の組み合わせによって生成できます。^{[ 71 ]}反水素はこのような磁気最小値（最小B）トラップにトラップできます。2010年11月、ALPHAコラボレーションは、約6分の1秒間、38個の反水素原子をそのようにトラップしたと発表しました。^{[ 72 ] [ 73 ]}これは中性反物質がトラップされた最初の例でした。

2011年4月26日、ALPHAは309個の反水素原子を捕捉したと発表した。中には1,000秒（約17分）も捕捉できたものもあった。これは中性反物質がこれまで捕捉された最長記録である。^{[ 74 ]} ALPHAはこれらの捕捉された原子を用いて、反水素のスペクトル特性に関する研究を開始した。^{[ 75 ]}

2016年、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兼冷却器が建設されました。これは、反陽子減速器から放出された反陽子を90keVまで冷却し 、研究に十分な低温を実現します。この装置は、高エネルギーを用いてチャンバー内の粒子を加速することで機能します。毎秒100個以上の反陽子を捕捉できるようになったことは大きな進歩ですが、それでも1ナノグラムの反物質を生成するには数千年かかるでしょう。

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す。CERNが最近発表したデータによると、完全に稼働した場合、彼らの施設は毎分1,000万個の反陽子を生成できます。^{[ 76 ]}反陽子が100%反水素に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（約1,000万個 ）を生成するには1,000億年かかります。 6.02 × 10 ²³個の反水素原子）。しかし、CERN はフェルミラボの反物質の 1% しか生成しておらず、どちらも反物質を生成するように設計されていません。ジェラルド・ジャクソンによると、現在すでに使用されている技術を使用すれば、施設あたり年間 6 億 7000 万ドルの費用で年間 20 グラムの反物質粒子を生成および捕捉することが可能です。^{[ 77 ] [ 78 ]}

反ヘリウム3原子核（³ヘリウム4（反ヘリウム4、すなわち2つの反陽子と1つの反中性子）は、1970年代にY.プロコシュキン研究グループ（ソ連モスクワ近郊プロトヴィノ）による高エネルギー物理学研究所での陽子-原子核衝突実験で初めて観測され^{[ 79 ]}、その後、原子核-原子核衝突実験で生成された^{[ 80 ]} 。原子核-原子核衝突では、これらの反応で生成された反陽子と反中性子の合体によって反原子核が生成される。2011年、 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。 ^{[ 81 ]}

国際宇宙ステーションのアルファ磁気スペクトロメーターは、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る。^{[ 82 ] [ 55 ]}

反物質は、接触した物質と反応して自身と容器の同量を消滅させるため、通常の物質でできた容器に保管することはできません。荷電粒子の形をした反物質は、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閉じ込めることができます。ただし、この装置は、原子トラップが使用される非荷電粒子からなる反物質を閉じ込めることはできません。特に、このようなトラップは、捕捉された粒子の双極子モーメント（電気または磁気）を利用する場合があります。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、わずかに共鳴から外れたレーザー放射で物質または反物質粒子を捕捉して冷却することができます。小さな粒子は、高度に集束されたレーザービームを使用して、光ピンセットで浮遊させることもできます。 ^{[ 83 ]}反粒子の保管記録は現在、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日間保持されました。^{[ 84 ]} CERNの科学者たちは、 1,000 kg (2,200 lb)のトラック搭載型極低温ペニングトラップ装置であるBASE-STEPを使用して、約5マイルの距離に92個の反陽子を輸送することに成功し、研究のために他の機関に反物質を実用的に輸送する道を開きました。^{[ 85 ] [ 86 ]}  

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。^{[ 87 ]} 2006年、ジェラルド・スミスは、 10ミリグラムの陽電子を生成するのに2億5000万ドルかかると推定した^{[ 88 ]}（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。^{[ 87 ]}これは、製造が困難であること（粒子加速器での反応で生成される反陽子はごくわずかであること）と、粒子加速器の他の用途に対する需要が高いことが理由である。CERNによると、約10億分の1グラム（これまでに粒子/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の費用がかかっている。 ^{[ 89 ]}これに対し、最初の原子兵器を製造するために、マンハッタン計画の費用は2007年のインフレで230億ドルと推定された。^{[ 90 ]}  

NASA Innovative Advanced Conceptsが資金提供するいくつかの研究では、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存在する反物質を、理想的にはグラムあたりのコストを低く抑えて磁気スクープで収集できるかどうかを調査している。^{[ 91 ]}

物質と反物質の反応は、陽電子放出断層撮影（PET）などの医療画像診断に実用的な応用があります。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います（同じ事象で、陽子は中性子になり、ニュートリノも放出されます）。余剰の正電荷を持つ核種はサイクロトロンで容易に生成でき、医療用途で広く生成されています。また、実験室実験では、反陽子がイオン（陽子）療法で現在使用されている方法と同様の方法で、特定の癌を治療する可能性も示されています。^{[ 92 ]}

分離・貯蔵された反物質は、反物質触媒核パルス推進や別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できる^{[ 93 ]}。反物質のエネルギー密度は従来の燃料よりも高いため、反物質を燃料とする宇宙船は、従来の宇宙船よりも推力重量比が高くなる。

物質と反物質の衝突が光子の放出のみをもたらす場合、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、^{[ 94 ]}現在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9 × 10 ¹⁶ J/kg )よりも約 3 桁大きい。 核分裂反応あたり200 MeV ^{[ 95 ]}または8 ×  10 13 J/kg であり、核融合から期待される最良の結果(約8 × 10 ¹³ J/kg ) よりも約 2 桁大きい。6.3 × 10 ¹⁴  J/kg (プロトン-プロトン連鎖の場合)。1kgの 反物質1  kg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)、または約 43 メガトンの TNT に相当し、これまで爆発した最大の熱核兵器 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。

消滅生成物の性質上、そのエネルギーすべてを現実的な推進技術で利用できるわけではありません。電子と陽電子の反応ではガンマ線光子が生成されますが、これらを方向付けて推力に利用するのは困難です。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および荷電パイ中間子に変換されます。中性パイ中間子はほぼ瞬時に（寿命85アト秒で）高エネルギー光子に崩壊しますが、荷電パイ中間子はよりゆっくりと（寿命26ナノ秒で）崩壊し、磁気的に偏向させて推力を発生させることができます。

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オン（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、その後ミューオンは電子、陽電子、ニュートリノの組み合わせに崩壊します（ミューオン崩壊を参照。この崩壊によるニュートリノはミューオンのエネルギーの約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総割合は約0.22 + (2/3)⋅0.78 = 0.74になります）。^{[ 96 ]}

反物質は核兵器の起爆装置として検討されてきた。^{[ 97 ]}大きな障害は、反物質を十分な量で生産することが困難であることであり、それが実現可能になるという証拠はない。^{[ 98 ]}それにもかかわらず、米国空軍は冷戦中に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、爆発物自体として兵器に使用できる可能性を検討し始めた。^{[ 99 ]}