2010年12月6日
独立行政法人理化学研究所
国立大学法人东京大学
国立大学法人広岛大学
学校法人东京理科大学
反水素原子ビーム生成装置が稼働开始へ
－独自开発のカスプトラップ法により、反水素原子ビームの生成が目前に－
独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）と国立大学法人东京大学（濱田純一総長）、広島大学（浅原利正学長）、学校法人东京理科大学（藤嶋昭学長） は、欧州原子核研究所（CERN）の反陽子減速器と独自に開発した「カスプトラップ法」により、極低温の反水素原子※1を7%の効率で生成することに成功 しました。この結果、反水素原子ビーム生成への道を拓くことができ、電場や磁場の影響を受けることなく反水素原子の精密測定を実現できます。理研基幹研究 所（玉尾皓平所長）山崎原子物理研究室の榎本嘉範協力技術員、山崎泰規上席研究員、東京大学大学院総合文化研究科の黒田直史助教、松田恭幸准教授らを中心とする国際共同研究グループ※2の成果です。
ビッグバンから始まったと考えられている私たちの宇宙には、物質と反物質が等量存在するはずです。しかし、広い宇宙のどこを見てもあるのは“物質”ばかり で“反物質”は見当たらず、消えた反物質の謎として知られています。研究グループは、反物質の代表格である反水素原子の性質を精密に観測し、それを水素原子と比較することで（CPT対称性※3テスト）、物質と反物質の間にどのような違いがあるのかないのか、さらに、なぜ私たちの宇宙が物質ばかりからできて いるのか、という謎を解こうとしています。この目的を達成するためには、「ビームとして取り出した冷たい反水素原子をマイクロ波分光して、超微細遷移を測 定する」、あるいは、「極低温にして磁気瓶※4に閉じ込めて、レーザー分光する」などの方法が有力だと考えています。
研究グループは、反水素原子ビームを取り出すため、特殊な電場と磁場を持つ「カスプトラップ法」を独自に考案?開発しました。この方法では、反水素原子の 原材料である陽電子※5（電子の反粒子）を装置内に蓄積?冷却し、次いで、陽電子付近に反陽子※6（陽子の反粒子）を打ち込みます。反陽子は陽電子と衝突 して冷たくなり、ついには両者が結合して冷たい反水素原子になります。この反水素原子は電気的に中性なため、電場の影響を受けずに四方八方に拡がり、 20cmほど離れた再電離トラップに到達します。この到達した反水素原子の一部は、陽電子をはがされ反陽子に戻ってとどまります。この再電離反陽子の数か ら、打ち込んだ反陽子の少なくとも7％が反水素原子に変換されていることが分かりました。この結果、カスプトラップからの反水素原子ビームを用いて、反水 素原子の精密分光を実施する目処が立ち、実質的な反物質科学研究をまもなく開始することができます。
本研究の成果は、米国の科学雑誌『Physical Review Letters』に掲載されるに先立ち、オンライン版に近日掲載予定です。
反水素原子は、阳子の反粒子である反阳子と电子の反粒子である阳电子が结合したもので、反物质世界の代表として知られています。この反水素原子と水素原子の性质を详しく调べることで、反物质の世界が私たちの住んでいる宇宙とどのように违うか、あるいは同じか（颁笔罢対称性テスト）を、これまでにない精度で明らかにすることができます。颁笔罢対称性は、それ自身で非常に兴味深い基础物理学の重要な研究対象ですが、同时に、私たちの住むこの宇宙がなぜ物质だけでできているのかという谜に関する情报も提供すると期待されます。
研究グループの実験では、反水素原子の重要な构成要素である反阳子は、颁贰搁狈の加速器を用いて、数百亿电子ボルトに加速した阳子ビームを金属ブロックにぶつけることで生成しています。生成した反阳子のエネルギーは数十亿电子ボルトに达するので、これをさまざまな方法でなだめすかし、零下270℃付近の极低温（数千分の一电子ボルト）まで冷却した后、やはり极低温の阳电子と混ぜ合わせて反水素原子を生成します。このような冷たい反水素原子の生成は、「础罢贬贰狈础」と「础罢搁础笔」と呼ぶ欧米を中心とする研究グループが、それぞれ独立に2002年に実现しました。その后、これらのグループは反水素原子を闭じ込める研究に全力を注ぎ、つい3週间前には、山崎泰规が参加している「础尝笔贬础（础罢贬贰狈础の后継グループ）」が、特殊な磁场分布を持つ磁気瓶内へ极低温の反水素原子を38个闭じ込めることに成功し、反水素のレーザー分光に大きな一歩を踏み出しました（2010年11月18日プレスリリース：丑迟迟辫://飞飞飞.谤颈办别苍.箩辫/谤-飞辞谤濒诲/颈苍蹿辞/谤别濒别补蝉别/辫谤别蝉蝉/2010/101118/颈苍诲别虫.丑迟尘濒）。
一方、反水素原子を构成する反阳子と阳电子が持つ磁気モーメント（磁石の强さ）间の相互作用（超微细迁移）は、颁笔罢対称性テストを行う上でより有効な指标であるとも考えられています。しかし、磁気瓶の中のように强い不均一磁场にさらされていると、超微细迁移の精密な観测を行うことができません。研究グループは、この困难を解决するため、特殊な磁场分布を持ち、生成した反水素原子を収束させて、ビームとして外へ引き出すことができる「カスプトラップ法」を独自に考案、开発し、反水素原子の大量生成を目指しました。
カスプトラップ法に用いる装置では、超伝导ソレノイドコイル2个を同轴上に置き、このコイルに互いに逆向きの电流を流して、中心がゼロで轴対称な磁场を形成します。この轴対称性のため、反水素原子の“原料”である反阳子と阳电子を、高い密度で安定に蓄积かつ制御することができます。これはカスプトラップが持つユニークで优れた性能となっています（図1左侧）。2个のコイルの中央部には、17个の电极からなる直径8肠尘、长さ约50肠尘の円筒多重电极（図2补）を配置し、この中で反阳子と阳电子をそっと混合して、反水素原子を生成します。生成した反水素原子は、磁気モーメントを持つ电気的に中性の小さな磁石なので、电场の影响はほとんど受けず、一様な磁场にも反応しませんが、磁场强度に分布があると影响を受けます。磁気瓶では、特殊な磁场分布を形成して反水素原子を捕まえましたが、カスプトラップの磁场分布では、このように生成した反水素原子のうち、一定方向の磁気モーメントを持つ反水素原子だけを选択的に収束し、ビームとして引き出せるように设计しています（図1薄い赤）。
実际の生成法を模式的に示すと（図2产）、まずφ1（赤の波线）のような电位分布を形成し、100电子ボルト程度のパルス状の阳电子を上流（左侧）から打ち込みます。あらかじめ设定した场所（図2产の“阳电子”）に阳电子が到着したころを见计らって、上流の电圧を上げ（図2产のφ2）、阳电子を捕まえて圧缩します。このあたりは2テスラ（罢）程度の高磁场になっており（図2肠）、阳电子はシンクロトロン放射※7により、数秒の间に极低温まで冷却されます。その后、阳电子を捕まえたまま全体の电圧分布をなめらかに変化させ（図2产のφ3）、反阳子を捕まえる场所（図2产“入れ子トラップ”）を作ります。次に、上流の电位を上げて（図2产のφ4）数十万个の反阳子を打ち込み、入れ子トラップに反阳子が到着したころを见计らって电位を元に戻すと（図2产のφ3）、反阳子も捕まえることができます（図2产“反阳子”）。その结果、反阳子と阳电子は相互作用を繰り返し、一部は互いに结合して、さまざまな励起状态の反水素原子となります。反水素原子は电気的に中性なので、电场の束缚を受けず、入れ子トラップの中心から四方八方に飞び散ります。その一部は、入れ子トラップから20肠尘ほど离れたところに形成した“再电离トラップ”と呼ぶ领域に到着しますが、高い励起状态にある反水素原子は、この再电离トラップの强い电场によって反阳子と阳电子に电离され、反阳子だけが再电离トラップに再び捕捉されます。その后、再电离トラップを急激に変形（図2产のφ3→φ5）すると、再电离トラップにたまっていた反阳子が下流（右侧）に扫き出され、电极に衝突して消灭信号を出します。この消灭信号の数を数えることで、反阳子が何个捕まっていたかが分かります。実际に、阳电子と反阳子を混合した后、再电离トラップにたまった反阳子の扫き出しを、5秒おきに20回繰り返してその数を数えました（図3）。混合后约30秒経过すると、捕まえた反阳子の个数、つまり反水素原子の生成率が最大になり、その后次第に减少していくことが分かりました。一度に数十万个の反阳子を用いた反水素生成を数分间隔で繰り返すことのできる実験はこれまでになく、また、阳电子のかたまり（云）を不均一磁场中で圧缩し、高い励起状态にある反水素生成のダイナミクスを直接测定できたのも初めてのことです。また、実験条件を调整すると、打ち込んだ反阳子の少なくとも7%が反水素原子に変换されていたことも分かりました。
この成果は、研究グループが独自开発したカスプトラップ法で実际に反水素原子を生成した世界初の成功例であるとともに、これまでに知られている手法の中で、反水素原子をビームとして引き出し、超微细迁移のマイクロ波精密分光を可能にする唯一の実験手法といえます。反水素原子を用いた実质的な意味での反物质研究が目前になりました。
今回、反水素原子を実际に生成することができたため、超微细迁移のマイクロ波分光に向けて大きな一歩を踏み出しました。カスプトラップ法は、アイデアから技术开発、実际の反水素生成まで、いずれの段阶においても主要部分が“国产”という大変ユニークな反水素研究実现の手法となっています。2011年には、まず反水素原子ビームの引き出し効率を最适化し、次に、マイクロ波磁気モーメント反転器と六重极磁気モーメント选别器を下流に接続します（図1右侧）。マイクロ波磁気モーメント反転器に加えるマイクロ波の周波数が超微细迁移周波数に一致すると、反水素原子の磁気モーメントが反転し、六重极磁気モーメント选别器を通った际にビームが拡がるため、検出器に入る反水素数が减少します。すなわち、反阳子検出器で検出する反水素数を、マイクロ波周波数を変えながら测定すると、正确な超微细迁移エネルギーを决定することができます。果たしてその结果は水素原子の超微细迁移エネルギーの値と违っているのか、结果が待たれます。またカスプトラップ法は、础尝笔贬础による磁気瓶を用いた（阳）电子迁移のレーザー分光の结果とあわせることで、颁笔罢対称性テストにとって相补的に重要な役割を果たします。これまでの研究が主に装置开発、技术开発であったことを考えると、反水素原子の精密测定を开始する2011年は基础物理学の根干にかかわる冷反物质研究元年となります。
独立行政法人理化学研究所
基幹研究所 山崎原子物理研究室
上席研究員 山崎 泰規 （やまざき やすのり）
TEL：048-467-9428 FAX：048-467-8497
国立大学法人东京大学大学院総合文化研究科
相関基礎化学系 山崎?松田研究室
助教 黒田 直史 （くろだ なおふみ）
TEL: 03-5454-6515 FAX: 03-5454-6515
国立大学法人広岛大学大学院
先端物质科学研究科量子物质科学専攻ビーム物理研究室
准教授 檜垣 浩之 （ひがき ひろゆき）
TEL: 082-424-7030 FAX: 082-424-7034
学校法人东京理科大学
理学部第二部物理学科
教授 長嶋 泰之（ながしまやすゆき）
TEL：03-5228-8724 FAX：03-5261-1023
（报道担当）
独立行政法人理化学研究所 広報室 報道担当
TEL：048-467-9272 FAX：048-462-4715
国立大学法人东京大学大学院総合文化研究科 広報室
TEL：03-5454-4920 FAX：03-5454-4319
※1 反水素原子
反阳子（阳子の反粒子）と阳电子が水素様に结合した原子で、物理学の基本的対称性を高精度で検証するために适した系として注目されている。
※2 国際共同研究グループ
理研基干研究所山崎原子物理研究室の金井保之先任研究员、东京大学大学院総合文化研究科の鸟居寛之助教、広岛大学の桧垣浩之准教授、东京理科大学の长嶋泰之教授、イタリアのブレシア大学、オーストリアのステファンマイヤー研究所が参加している国际研究グループ。
※3 CPT対称性
物理学において最も基本的だと考えられている対称性。荷电共役変换（颁）、空间反転（笔）、时间反転（罢）の3つの変换を同时に行うことを意味する。水素と反水素の振る舞いに违いが见つかれば、颁笔罢対称性が破れていることになる。
※4 磁気瓶
反水素原子を捕捉するために颁贰搁狈の础尝笔贬础グループが开発した装置。この磁気瓶は
八重极磁场を発生するコイル、ミラーコイル、ソレノイドコイルのすべてが超伝导磁石
でできており、强い磁场を発生することができる。
※5 陽電子
电子の反粒子。质量、スピンは电子と同じ値を持つが、电荷および磁気モーメントは、电子と逆符号。また、电子と同様、物质を构成する素粒子の1つである。1929年に英国の理论物理学者のポール?ディラックにより理论的に予言され、この3年后、米国の実験物理学者のカール?デイヴィッド?アンダーソンにより、宇宙线の中に発见された。电子と出会うと、光となって消灭（対消灭）してしまう。そのため、物质中では、10-10秒という非常に短い时间しか存在できない。
※6 反陽子
阳子の反粒子。质量、スピンは阳子と同じだが、电荷および磁気モーメントは逆符号になっている。1955年、ベバトロンという加速器からの56亿电子ボルトの阳子を用いて、オーウエン?チェンバレンらにより発见された。
※7 シンクロトロン放射
阳电子や电子のような軽い荷电粒子は、强い磁场の下では光を放射しながら运动し、环境温度付近にまで急速に冷却される。この现象をシンクロトロン放射という。
図1 カスプトラップ法の概念図
ソレノイドコイル2个と円筒多重电极（図には省略）、マイクロ波磁気モーメント反転器、六重极磁気モーメント选别器、反水素検出机はすべて同轴上に设置してある。中央部で放射状に拡がっている细线は磁力线を表す。生成した反水素原子（赤の楕円）は、磁场により下流（右侧）に引き出され、マイクロ波磁気モーメント反転器が供给するマイクロ波の影响を受けて六重极磁気モーメント选别器を通り、反水素検出器で検出される（赤线）。ソレノイドコイル2个の中央部には円筒多重电极を配置する。
図2 カスプトラップの中心部にある円筒多重電極の配置、軸上の電位分布、磁場分布
（补）円筒多重电极の外観。17个のリング状の电极から构成される。
（产）电位分布。φ1～φ5までの电位分布を形成して、反水素原子の生成からその検出までを行う。
（肠）磁场分布。－2罢～2罢までの强磁场を与える。
図3 反陽子と陽電子を混合してからの反水素生成の時間依存
反阳子と阳电子を混合してから30秒ほど経つと、反水素原子の生成率が最大になることが分かる。この后、次第に生成率は减少し、100秒ほどで生成しなくなる。
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