CERN ALPHA実験、陽電子冷却技術革新で反水素生成率を8倍に向上

欧州原子核研究機構（CERN）のALPHA実験チームは、2025年11月18日に、反水素原子の生成効率が従来の8倍に向上したと発表した。この技術的進展は、スイスのCERNにある反陽子減速器（AD）施設内の反水素工場で達成されたもので、反水素合成における主要なボトルネックであった陽電子の冷却プロセスに、レーザー冷却されたベリリウムイオンを用いた「思惑的冷却（sympathetic cooling）」手法を導入したことによる。

この新技術の導入により、陽電子プラズマの温度は、従来の約15ケルビンから、約10ケルビン未満（約-266℃）へと大幅に低下した。この極低温化が、陽電子と反陽子との効率的な合体を促進し、結果として反水素原子の生成率を向上させた。具体的には、数時間で15,000個以上の反水素原子を蓄積する能力を獲得したと、ALPHA実験のスポークスパーソンであるジェフリー・ハングスト氏が述べている。この成果は学術誌『Nature Communications』に掲載された。

反水素原子の合成は、物質と反物質の非対称性という宇宙の根源的な謎を探る上で極めて重要である。標準模型の予測では、ビッグバン直後に物質と反物質は同量生成されたはずだが、現在の宇宙は物質優勢である。ALPHA実験は、この非対称性の原因を解明するため、水素原子との高精度な比較測定を目指している。

ALPHA実験は、先行するATHENA実験の後継として、反水素を生成、捕捉し、研究することを目的としている。今回の生産率の向上は、より詳細かつ迅速な原子反物質の調査を可能にし、系統誤差の低減とスペクトル分析の深化に直結する。さらに、この進歩は、反物質が重力にどのように応答するかを検証するALPHA-g実験にも貢献し、弱い等価原理の検証に向けた道を開く。

以前の冷却法では、陽電子がケージ内で周回する際のエネルギー損失に頼っていたが、その効率には限界があった。ベリリウムイオンを用いた思惑的冷却は、この長年の課題に対する工学的な解決策であり、シミュレーションではトラップ効率を最大で2桁向上させる可能性が示唆されていた。ハングスト氏は、以前は反水素原子の捕捉数が数分ごとに約20個程度であり、精密測定に必要な量を集めるのに数時間かかっていたと指摘しており、今回の8倍の効率向上は、実験のタイムラインを劇的に短縮する。

CERNの反陽子減速器（AD）は、高エネルギーの反陽子ビームを低速化する役割を担っており、ALPHA実験は、この限られたビーム時間を他のASACUSAやATRAPといった実験と共有しながら研究を進めている。この技術的進展は、反物質研究の実験的側面における大きな一歩であり、基礎物理学の検証能力を向上させるものである。