「反物質」とは？それを小さなスペースで加速させる新技術の意義とは？

・科学者たちは、既存の加速器の1000分の一しかない小さなスペースで反物質を加速する新しい方法を発見した。
・この技術は非常に効率的で安価であり、新しい物理学を詳細に研究するのに役立つだろう。

 

線形加速器コヒーレント光源や大型ハドロン衝突型加速器など、施設にある粒子加速器は、素粒子（電子や陽子）を加速させるものです。これによって科学者は、超対称性理論【理論のボース粒子とフェルミ粒子に対して、それぞれ対応するフェルミ粒子とボース粒子（超対称性粒子）が存在すると考える理論】によって予想される新しい粒子の探索やヒッグス粒子の性質の分析など、物理学の複数の理論を検証することができます。

 

通常は、加速された粒子を粉砕し、他のすべての粒子に質量を与える素粒子を生成することによって行われます。光合成のような小さくて超高速なプロセスを画像化するためのX線レーザーの生成にも使用できます。

 

しかし、このような高速を達成するためには、加速器は2キロメートルよりも長い部品を使用しなければならないのです。数年前、インペリアル・カレッジ・ロンドンの科学者たちが、電子を加速するためにわずか数メートルの部品を使用するシステムを開発しました。

 

そして今回、同大学の科学者が、陽電子（電子の反粒子）をわずか数センチメートルのシステムで加速させる技術を発明したのです。

 

小型陽電子加速器の利点

この新しい技術は、ダークマターやダークエネルギーの特性を含む物理学の謎をさらに解明し、シリコンチップや航空機のより高感度なテストを可能にするものです。

 

【用語の説明】
・ダークマター：宇宙の所々に塊で存在し、見えないのに重力を持つ物質
・ダークエネルギー：宇宙全体に均等に分布していて、宇宙が膨張するスピードをどんどん速くする力を持つ
・反物質：ある物質と比して質量とスピンが全く同じで、構成する素粒子の電荷などが全く逆の性質を持つ反粒子によって組成される物質。例えば、電子はマイナスの電荷を持つが、反電子（いわゆる陽電子）はプラスの電荷を持つ

 

このアプローチは、25平方メートル近くをカバーする既存のレーザー技術の性質を利用してモデル化されました。実証に成功すれば、世界中の多くの研究所で反物質の加速実験が可能になるはずです。

 

研究チームによれば、この新技術は陽電子加速の規模だけでなくコストも大幅に削減できるということです。現在、同じ実験を行うには大規模な物理学施設が必要で、その費用は数千万ドルかかるからです。

 

線形加速器コヒーレント光源や大型ハドロン衝突型加速器などの大型施設で使われている戦略は、1960年代初頭に発見されて以来、あまり改善されていません。まだ高価で複雑すぎるのです。

 

一方、次世代の反物質加速器は効率的で、小型で安価です。この加速器は新しい物理学の研究に役立ち、より多くの研究所がこの取り組みに参加できるようになるでしょう。

 

ヒッグス粒子の生成と材料試験

この技術では、レーザーとプラズマを使って反物質を生成、集中、加速し、ビームを生成します。このセンチメートル級の長さの加速器は、既存のレーザー技術を使って数千万個の陽電子ビームを加速することができます。これらの粒子のエネルギーレベルは、2キロメートルのスタンフォード加速器で生成されるものと同じです。

 

具体的には、研究チームはセル内粒子法【特定の問題における偏微分方程式を解く方法のひとつ】シミュレーションを用いて、既存のレーザーで数百MeV pCの準単色陽電子を加速できることを実証しました。

 

この粒子加速技術は、2つのレーザー・プラズマ相互作用ステージに基づいている
出典：Aakash A. Sahai

 

実際、ヒッグス粒子をより高い割合で発生させることができ、科学者たちはその性質をよりよく分析することができます。また、超対称性理論によって予想される新しい粒子を探すことで、素粒子物理学の標準模型を説明するのにも使えるでしょう。

 

実用的な応用としては、陽電子ビームは、航空機エンジンのブレードやボディ、集積チップなど、様々な材料の欠陥や破壊リスクを分析することができます。反物質は電子やX線とは異なる方法でこのような材料と相互作用するため、品質管理プロセスにまったく新しい次元を提供します。

 

同様の技術でビームを発生させた過去の経験に基づき、研究チームは2020年までに実用的なプロトタイプが利用可能になることを確信しています。