20世紀初頭に反物質の存在が提案されて以来、科学者たちは、通常の物質との関係、および宇宙で両者の間に明らかに不均衡がある理由を理解しようと努めてきました。これを行うために、過去数十年の素粒子物理学研究は、宇宙で最も基本的で豊富な原子の反粒子、つまり反水素粒子に焦点を合わせてきました。
最近まで、科学者は反水素を生成することができたが、消滅する前にそれを研究することができなかったので、これは非常に困難でした。しかし最近発表された研究によると 自然、 ALPHA実験を使用したチームは、反水素に関する最初のスペクトル情報を取得できました。 20年の歳月をかけたこの成果は、反物質研究のまったく新しい時代を切り開く可能性があります。
要素がどのように光を吸収または放出するかを測定すること、つまり分光法は、物理学、化学、および天文学の主要な側面です。科学者が原子や分子を特徴付けることができるだけでなく、それが宇宙物理学者が放出する光のスペクトルを分析することによって遠方の星の組成を決定することを可能にします。
過去には、宇宙の全バリオン質量の約75％を構成する水素のスペクトルについて多くの研究が行われてきました。これらは、物質、エネルギー、および複数の科学分野の進化を理解する上で重要な役割を果たしてきました。しかし最近まで、その反粒子のスペクトルを研究することは信じられないほど困難でした。
まず、反水素を構成する粒子（反陽子と陽電子（反電子））を捕らえて冷却し、それらが集まるようにする必要があります。さらに、これらの粒子が通常の物質と接触して消滅する前に、それらの粒子の挙動を観察するのに十分な時間、粒子を維持する必要があります。
幸いなことに、過去数十年の間に技術は進歩し、反物質の研究が可能になり、科学者は反物質の背後にある物理学が標準モデルと一致するか、それを超えるかを推測する機会を得ました。リバプール大学の物理学部のアフマディ博士が率いるCERN研究チームが彼らの研究で指摘したように：
「標準モデルは、ビッグバン後の原始宇宙には等しい量の物質と反物質があったはずであると予測していますが、今日の宇宙はほとんどすべて通常の物質で構成されていることが観察されています。これにより、物理学者は反物質を注意深く研究し、2種類の物質を支配する物理法則に小さな非対称性がないかどうかを確認するようになります。」
この研究は、1996年に始まり、CERN反陽子減速装置の一部であるAnTiHydrogEN装置（ATHENA）実験を使用して行われました。この実験は、反陽子と陽電子を捕獲し、それらが結合して反水素を形成できる点までそれらを冷却する責任がありました。 2005年以降、このタスクはATHENAの後継者であるALPHA実験の責任となっています。
更新された機器を使用して、ALPHAは中性反水素の原子をキャプチャし、必然的に全滅する前にそれらを保持します。この間、研究チームはALPHAの紫外線レーザーを使用して分光分析を行い、原子が水素原子と同じ法則に従っているかどうかを確認します。 ALPHAコラボレーションのスポークスパーソンであるJeffrey Hangstは、CERNアップデートで次のように説明しています。
「レーザーを使用して反水素の遷移を観察し、それを水素と比較して物理学の同じ法則に従うかどうかを確認することは、常に反物質研究の重要な目標でした。反陽子または陽電子は荷電粒子であるため、移動およびトラップは簡単です。しかし、2つを組み合わせると、中性の反水素が得られます。これはトラップするのがはるかに難しいため、私たちは、反水素が少し磁性であるという事実に依存する非常に特殊な磁気トラップを設計しました。」
そうすることで、研究チームは、陽電子を最低エネルギーレベルから次のエネルギーレベルに移行させるために必要な光の周波数を測定することができました。彼らが発見したのは、（実験的な制限内で）反水素スペクトルデータと水素のスペクトルデータに違いがないということです。これらの結果は、反水素原子についてこれまでに行われた最初のスペクトル観測であるため、最初は実験的なものです。
これらの結果は、物質と反物質の初めての比較を可能にすることに加えて、分光学的特性に対する反物質の動作が標準モデルと一致していることを示しています。具体的には、それらは電荷-パリティ-時間（CPT）対称性として知られているものと一致しています。
確立された物理学の基礎であるこの対称性理論は、物質と反物質のエネルギーレベルが同じになることを予測しています。チームが彼らの研究で説明したように：
「反物質の原子で最初のレーザー分光測定を行いました。これは長い間、低エネルギー反物質物理学で求められてきた成果です。これは、原理実証実験から、重大な計測学、アンチ原子の光学スペクトルを使用した正確なCPT比較までの転換点を示しています。現在の結果…ADでの反物質による基本的な対称性のテストが急速に成熟していることを示しています。」
言い換えれば、物質と反物質が同様のスペクトル特性を持っているという確認は、2012年のヒッグスボソンの発見と同じように、標準モデルが支持するもう1つの指標です。また、反物質粒子の捕捉におけるALPHA実験の有効性も実証されました。これは、他の反水素実験にメリットがあります。
当然のことながら、CERNの研究者はこの発見に非常に興奮しており、劇的な影響があると予想されます。標準モデルをテストする新しい手段を提供するだけでなく、宇宙に物質と物質の不均衡が存在する理由を科学者が理解するのに役立つことも期待されています。私たちが知っている宇宙がどのようになってきたのかを正確に発見するためのさらに別の重要なステップ。
