反陽子ヘリウム

反陽子ヘリウムは、反陽子と電子がヘリウム原子核の周りを回る三体原子である。したがって、一部は物質で、一部は反物質でできている。電子と反陽子はそれぞれ -1 eの電荷を持ち、ヘリウム原子核は +2 eの電荷を持つため、原子は電気的に中性である。実験的に生成された物質と反物質の結合状態の中で最も長い寿命を持つ。^[1]

生産

これらのエキゾチック原子は、反陽子を通常のヘリウムガスと混合するだけで生成できます。反陽子は化学反応で通常のヘリウム原子に含まれる 2 つの電子のうちの 1 つを自発的に置き換え、電子の代わりにヘリウム原子核の周りを回り始めます。これは、ヘリウムガスに導入された反陽子の約 3% の場合に発生します。反陽子の軌道は、主量子数が大きく、角運動量量子数が約 38 であるため、ヘリウム原子核の表面から遠く離れています。したがって、反陽子は数十マイクロ秒間原子核の周りを回り、最終的に表面に落ちて消滅します。これは、形式の他のタイプのエキゾチック原子とは対照的です。
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X ^{+ で}あり、通常はピコ秒以内に崩壊します。^[2]

レーザー分光法

反陽子ヘリウム原子は、 CERNのASACUSA実験で研究されています。これらの実験では、まず反陽子ビームをヘリウムガス内で停止させることで原子が生成されます。次に、原子に強力なレーザービームを照射すると、原子内の反陽子が共鳴し、ある原子軌道から別の原子軌道にジャンプします。

他の束縛状態の分光法と同様に、ドップラー広がりやその他の効果は精度の課題となる。研究者は正確な結果を得るためにさまざまな技術を使用する。ドップラー限界の精度を超える方法の1つは2光子分光法である。^[2] ASACUSAコラボレーションは、
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³彼⁺そして
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⁴ He ⁺原子と
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2光子分光法を用いて、大きな主量子数と軌道量子数を持つ高リュードベリ状態38を占めていることがわかった。 ^[2] 30〜100 nsのパルス幅を持つ対向伝搬Ti:サファイアレーザーは、深紫外線で非線形2光子遷移を励起し、波長139.8、193.0、197.0 nmのスペクトル線を含む。これらの線は、の形の状態の遷移に対応する。このような遷移は起こりそうにない。しかし、確率は $n\sim l+1\sim$ $\lambda =$ $(n,l)\rightarrow (n-2,l-2)$ 10 ⁵レーザー周波数の合計が中間状態の10 GHz以内になるとき。状態は、オージェ放出が中間状態になるようにペアで選択される。 $(n-1,l-1)$
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He ²⁺と急速な消滅により、チェレンコフ信号が検出可能になりました。ドップラーシフトの減少により、スペクトル線は2.3～5ppbの精度で狭くなりました。結果を3体量子電気力学計算と比較することで、反陽子と電子の質量比を決定することができました。1 836 .152 6736 (23) .

2022年にASACUSAは反陽子ヘリウムのスペクトル線の予想外の狭まりを発見した。 ^[3]^[4]^[5]

反陽子と電子の質量比の測定

ASACUSA実験では、原子を共鳴させるために必要なレーザー光の特定の周波数を測定することで、反陽子の質量を決定した。1 836 .153 6734 (15)倍の質量を持つ電子です。^[6]これは、実験の確実性の範囲内で、「通常の」陽子の質量と同じです。これは、CPT (電荷、パリティ、時間反転の略) と呼ばれる自然界の基本的な対称性の確認です。この法則は、電荷軸の反転、空間軸のパリティ、および時間軸の方向が同時に変化しても、すべての物理法則は変化しないことを示しています。この理論の重要な予測の 1 つは、粒子とその反粒子の質量がまったく同じであるはずだということです。

反陽子と陽子の質量と電荷の比較

反陽子ヘリウムのレーザー分光法に関する上記の結果を、 CERN のATRAPおよびBASE共同研究によって行われた反陽子のサイクロトロン周波数の高精度測定と個別に比較することにより、反陽子の質量と電荷を陽子の値と正確に比較することができます。最新の測定では、反陽子の質量 (および電荷の絶対値) が陽子の質量と電荷の絶対値と 0.5 億分の 1 の精度で同じであることが示されています。

反陽子ヘリウムイオン

反陽子ヘリウムイオンは、ヘリウム原子核と軌道を回る反陽子からなる二体物体です。電荷は +1 eです。寿命が最大 100 ns の冷イオンは、2005 年に ASACUSA 実験によって生成されました。

パイオニア的ヘリウム

2020年、ASACUSAはポール・シェラー研究所（PSI）と共同で、分光測定による長寿命パイ中間子ヘリウムの実験的検証を報告した。これは中間子を含むエキゾチック原子では初めてのことである。その存在は、泡箱の軌跡からのいくつかの異常を説明するためにテネシー大学のジョージ・コンドによって1964年に予測されていたが、その存在の明確な証拠は得られていなかった。実験では、リングサイクロトロンからの負に帯電したパイ中間子が超流動ヘリウムで満たされたタンクに磁気的に収束され、原子から電子を追い出してその位置を占める。その後、生成を確認するために、さまざまな周波数でレーザー光が発射され、パイ中間子が共鳴してその軌道から内側の軌道へ、そして最終的には陽子、中性子、重陽子に分解する原子核へと量子ジャンプする1631nmの特定の周波数が見つかった。この実験は高度な技術を要することが判明し、実験の設計と構築を含めて8年を要した。^[7]^[8]^[9]

参照

参考文献

^ 「ASACUSA AD-3コラボレーションの進捗報告書」(PDF)。2022年7月7日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2022年7月30日閲覧。
^ abc ソーテル、アンナ;アガイ・ホザニ、ホセイン。バーナ、ダニエル。ダックス、アンドレアス。ヴェントゥレッリ、ルカ。堀正樹;早野、龍吾。フリードライヒ、スザンヌ。ユハシュ、ベルタラン。パスク、トーマス。ホルヴァス、デズー;ウィドマン、エバーハルト。ヴェントゥレッリ、ルカ。ズルロ、ニコラ (2011-07-27)。「反陽子性ヘリウムの二光子レーザー分光法と反陽子対電子の質量比」。自然。475 ( 7357 ) : 484–488.arXiv : 1304.4330。土井：10.1038/nature10260. PMID 21796208。S2CID 4376768 。
^ ソーテル、アンナ;アガイ・ホザニ、ホセイン。バーナ、ダニエル。ダックス、アンドレアス。ヴェントゥレッリ、ルカ。堀正樹（2022-03-16）。「超流動 4He 中の反陽子性ヘリウムの高分解能レーザー共鳴」。自然。603 (7901): 411–415。ビブコード:2022Natur.603..411S。土井：10.1038/s41586-022-04440-7。ISSN 1476-4687。PMC 8930758。PMID 35296843。
^ 「ASACUSA、超流動ヘリウム中の物質と反物質のハイブリッド原子の驚くべき挙動を観測」CERN . 2022年3月17日閲覧。
^ 「氷反物質実験が物理学者を驚かせる」Quanta Magazine 2022年3月16日2022年3月17日閲覧。
^ Hori , M.; et al. (2016). 「反陽子ヘリウムの1.5～1.7 Kへのバッファーガス冷却と反陽子対電子の質量比」。Science . 354 (6312): 610– 4. Bibcode :2016Sci...354..610H. doi :10.1126/science.aaf6702. PMID 27811273. S2CID 37796298.
^ 堀正樹;アガイ・ホザニ、ホセイン。ソーテル、アンナ。ダックス、アンドレアス。バーナ、ダニエル（2020年5月6日）。「ピオン性ヘリウム原子のレーザー分光法」。自然。581 (7806): 37–41 . Bibcode :2020Natur.581...37H。土井：10.1038/s41586-020-2240-x。ISSN 1476-4687。PMID 32376962。S2CID 218527999 。
^ 「ASACUSA、超流動ヘリウム中の物質と反物質のハイブリッド原子の驚くべき挙動を観測」CERN . 2022年3月16日閲覧。
^ 「パイオニア的ヘリウム」www.mpq.mpg.de . 2022年3月16日閲覧。

さらに読む

ASACUSAが反陽子質量の測定を改善

[1] 「ASACUSA AD-3コラボレーションの進捗報告書」(PDF)。2022年7月7日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2022年7月30日閲覧。

[Hori,_Sótér_et_al.,_2011-2] ソーテル、アンナ;アガイ・ホザニ、ホセイン。バーナ、ダニエル。ダックス、アンドレアス。ヴェントゥレッリ、ルカ。堀正樹;早野、龍吾。フリードライヒ、スザンヌ。ユハシュ、ベルタラン。パスク、トーマス。ホルヴァス、デズー;ウィドマン、エバーハルト。ヴェントゥレッリ、ルカ。ズルロ、ニコラ (2011-07-27)。「反陽子性ヘリウムの二光子レーザー分光法と反陽子対電子の質量比」。自然。475 ( 7357 ) : 484–488.arXiv : 1304.4330。土井：10.1038/nature10260. PMID 21796208。S2CID 4376768 。

[3] ソーテル、アンナ;アガイ・ホザニ、ホセイン。バーナ、ダニエル。ダックス、アンドレアス。ヴェントゥレッリ、ルカ。堀正樹（2022-03-16）。「超流動 4He 中の反陽子性ヘリウムの高分解能レーザー共鳴」。自然。603 (7901): 411–415。ビブコード:2022Natur.603..411S。土井：10.1038/s41586-022-04440-7。ISSN 1476-4687。PMC 8930758。PMID 35296843。

[4] 「ASACUSA、超流動ヘリウム中の物質と反物質のハイブリッド原子の驚くべき挙動を観測」CERN . 2022年3月17日閲覧。

[5] 「氷反物質実験が物理学者を驚かせる」Quanta Magazine 2022年3月16日2022年3月17日閲覧。

[Mhori-6] Hori , M.; et al. (2016). 「反陽子ヘリウムの1.5～1.7 Kへのバッファーガス冷却と反陽子対電子の質量比」。Science . 354 (6312): 610– 4. Bibcode :2016Sci...354..610H. doi :10.1126/science.aaf6702. PMID 27811273. S2CID 37796298.

[7] 堀正樹;アガイ・ホザニ、ホセイン。ソーテル、アンナ。ダックス、アンドレアス。バーナ、ダニエル（2020年5月6日）。「ピオン性ヘリウム原子のレーザー分光法」。自然。581 (7806): 37–41 . Bibcode :2020Natur.581...37H。土井：10.1038/s41586-020-2240-x。ISSN 1476-4687。PMID 32376962。S2CID 218527999 。

[8] 「ASACUSA、超流動ヘリウム中の物質と反物質のハイブリッド原子の驚くべき挙動を観測」CERN . 2022年3月16日閲覧。

[9] 「パイオニア的ヘリウム」www.mpq.mpg.de . 2022年3月16日閲覧。