CERN ALPHA実験、陽電子冷却技術で反水素生成率を8倍に向上

欧州原子核研究機構（CERN）の反物質ファクトリーにおけるALPHA実験は、2025年11月に反水素原子の生成率が8倍に向上したと発表しました。この技術的進展は、科学者が導入した新しい陽電子冷却技術によって達成されました。この新技術の導入により、以前は数週間を要した作業が数時間で完了し、一晩の作業で15,000個以上の反水素原子を生成・捕捉することが可能になりました。

この生産性向上の鍵は、反水素原子の合成に必要な陽電子の効率的な冷却にあります。反水素原子は、反陽子と陽電子が結合して形成されますが、従来の方法では陽電子雲の温度が十分には下がらなかったため、反陽子との効率的な結合が妨げられていました。今回の革新的なアプローチでは、レーザー冷却されたベリリウムイオンの雲をトラップに導入し、「偶発的冷却（sympathetic cooling）」というプロセスを通じて陽電子からエネルギーを奪うことに成功しました。これにより、陽電子雲の温度は摂氏マイナス266度近くまで低下し、反水素原子の生成確率が劇的に向上しました。

ALPHA実験のスポークスパーソンであるジェフリー・ハングスト氏は、この生成数を「10年前にはSFの世界だと考えられていただろう」と述べています。この生産性の向上は、研究のペースを根本的に変えるものであり、以前は数週間かけてわずか十数個の反水素原子を生成・検出していたのに対し、今や一晩の作業で15,000個を生成・捕捉し、翌日すぐに実験に使用できる段階へと移行しました。さらに、2023年から2024年の実験期間を通じて、この新技術を用いて200万個以上の反水素原子が蓄積されたと報告されています。

この増産体制は、反物質が重力の影響を物質と全く同じように受けるのかという基礎物理学の根源的な問いを検証する研究に直接的に貢献します。ALPHA-g実験では、この豊富な反物質供給を活用し、重力に対する反物質の挙動について、これまで以上に精密な測定が可能になります。副スポークスパーソンであるニールズ・マドセン氏は、この応答性の変化を「フロンティアサイエンスにおけるパラダイムシフト」と評しています。

CERNの反物質ファクトリーは、宇宙がなぜ物質優勢になったのかという根本的な謎を解明するため、反物質を研究する世界最大の拠点です。ベリリウムイオンを用いた偶発的冷却技術は、以前の電子サイクロトロン共鳴（ECR）法に代わる手段として、高精度分光測定の系統誤差を低減する可能性も秘めており、反物質研究がより体系的かつ迅速に進められるプロセスへと移行しつつあることを示しています。