1955年9月21日にOwen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand and Tom Ypsilantisは反陽子の最初の証拠を発見し、その運動量と速度の測定を通して収集されました。 バークレー校の「ラド研究所」と呼ばれるところで働いていた彼らは、新しい加速器であるベバトロンで実験を行った。 その直後、Gerson GoldhaberとEdoardo Amaldiが率いる関連実験が、核乳剤のスタックに記録された期待通りの消滅「星」を発見しました（図1）。 40年後、反陽子と陽電子を組み合わせることによって、1995年9月にCERNの低エネルギー反陽子リング（LEAR）での実験が、反水素の最初の数個の原子の生成の証拠を集めたのである。 CERN では、反陽子加速器（AD）が、低エネルギーでの基礎物理学の研究のための重要な施設となり、LHC の高エネルギーフロンティアでの研究を補完している。 この記事では、CERNにおける反物質の研究のハイライトを振り返り、ADで何が待ち受けているかを垣間見る。

ベバトロンに戻ると、中性粒子の消滅による反中性子の発見が1956年に続き、本物の反物質の研究への舞台が用意された。 当初は、電荷共役（C）、パリティ（P）、時間反転（T）の操作の組み合わせによって、物質と反物質の間に完全な対称性が生まれると誰もが予想していました。 しかし、1964年にCPTの破れが観測された後、核力がCPT不変であること、反核子が結合して反核を作ることは明らかではなくなった。 この疑問は、CERNではアントニーノ・ジチッチ、ブルックヘブンではコロンビア大学のレオン・レーダーマンとサム・ティンのチームが反重陽子を発見したことで解消された（CERN Courier 2009年5月号p15、2009年10月号p22参照）。 その10年後、セルプホフ高エネルギー物理学研究所の70GeV陽子シンクロトロンでいくつかの候補が目撃された後、CERNのスーパー陽子シンクロトロンのWA33実験でアンチヘリウム-3とアンチトリチウムの証拠が現れた。 より最近では、重イオンビームの衝突が可能になったことで、ブルックヘブンの相対論的重イオン衝突型加速器のSTAR実験による反ヘリウム4の観測につながった（CERN Courier 2011年6月号p8）。 CERNでは、LHCのALICE実験が、同等の質量を持ち、したがって結合エネルギーが適合する軽核と反核の生成を観測している（図2）。

Exit baryonium, enter new mesons

反陽子が発見される以前の1949年に、エンリコ・フェルミとチェン・ニン・ヤンは、核子-反核子系では、2つの核子の間のある反発力が魅力的になり得ることに注目し、核子と反核子の結合状態（バリオニウム）が存在すると予言したのです。 その後、二元論に基づくクォーク模型により、陽子と反陽子の対消滅で観測されるはずの、2つのクォークと2つの反クォークからなる状態の存在が予言された。 1970年代には、核ポテンシャルモデルによって、2核子質量近傍の束縛状態や共鳴励起が多数予測されるようになった。 CERNの陽子シンクロトロン（PS）で反陽子-陽子（pp）消滅で観測された狭い状態や、エネルギーの関数としてのpp断面積（質量1940 MeVのS中間子）の測定で、実際にそのような状態の報告があった。 しかし、バリオニウムの状態はどれもLEARで確認されなかった。 S中間子はpp全断面積で先に報告された信号の10倍以下の感度で観測されなかった。 また、束縛状態への単色エネルギー遷移も観測されなかった。 バリオニウムの死はテッサロニキで開かれた反陽子86会議での重要なトピックであった。 何が起こったのだろうか？ LEARからの反陽子ビームの質の高さは、すべてのパイ中間子が崩壊したことを意味します。 反陽子の強度が高く（PSの抽出ビームが約102/sであるのに対し106/s），運動量分解能が10-3-10-4と高いことは，低エネルギーで反陽子が非常に小さなレンジストラグリングで停止するために極めて重要である。 左：LEARに設置されたCrystal Barrel実験。 右は p̅のπ0π0への消滅についてCrystal Barrelで測定したDalitzプロット。 明るい（暗い）ゾーンはイベント密度が高い（低い）ことに対応している。 対称性の理由から、1つの事象につき、6つのエントリーがある。
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LEARのいくつかの実験で、静止状態のpp消滅で生成された中間子の分光は、より実りあることが証明された。 これは1960年代にPSの81cm水素バブルチェンバーでの反陽子消滅で始まった伝統を引き継ぎ、pp→(E, D→KKπ)π においてE中間子（ヨーロッパのE、現在のη(1440)）とD中間子（現在のf1(1285)）を発見することにつながりました。 前者は、この質量領域にグルーボール候補（グルーオンだけでできている状態）が存在するという長年の論争を引き起こし、SLACのe+e-コライダーSPEARで放射性J/ψ崩壊が観測されました。 LEARが始動すると、ASTERIX、OBELIX、Crystal Barrel、JETSETといった実験が、pp消滅における中間子分光のバトンを受け継いだ。 ASTERIXはテンソル中間子（AX、現在のf2(1565)）を発見し、これはOBELIXでも報告された。その構造はまだ不明だが、予測されていたテンソルバリオニウム状態である可能性もある。 液体水素ターゲットで反陽子を停止させ、1380個のCsI (Tl) 結晶からなるバレル型アセンブリでπ0中間子をγ崩壊により検出する。 図3は、この検出器と、実験で測定されたπ0π0π0へのpp消滅のDalitzプロットを示しています。 事象の非一様分布は、スピン0中間子f0(980)とf0(1500)、スピン2中間子f2(1270)とf2(1565)などのπ0π0に崩壊する中間共鳴が存在することを示しています。 f0(1500)はグルーボールの良い候補である。

LEARに入射するために、AAからの3.5GeV/cの反陽子はPSで600MeV/cまで減速された。 LEARに格納されると、さらに60MeV/cまで減速され、106/sの典型的な強度でゆっくりと取り出された。 LEARは1982年に運転を開始し、1996年に廃止されるまでに16回もの実験が行われました。 LEARの磁石リングは、LHCへの重イオンの入射チェーンの一部を形成する低エネルギーイオンリングで生き続けている。

LEAR は初期冷却実験（ICE）の恩恵も受けている。 ICEの電子冷却器は本質的な改良を経て、LEARの反陽子冷却に貢献し、現在はCERNの現在の反陽子施設であるADで活躍している（CERN Courier 2009年9月号p13）。 ICEは反陽子の測定にも貢献し、1978年8月には世界で初めて2.1GeV/cの反陽子を32時間循環させながら保存することに成功した。 それまでの反陽子の寿命は、バブルチャンバー実験による10-4秒程度が最高であったが、現在は8×105年以上であることが知られている。

基本的対称性

CPT定理は、CPTの複合操作を行ったときに物理法則が変わらないことを仮定する。 CPT不変性は、量子場の理論において、ローレンツ不変や点状素粒子などの特定の要件を仮定することによって生じる。 しかし、CPTの破れは非常に小さな長さスケールで可能であり、粒子と反粒子の寿命、慣性質量、磁気モーメントなどの性質にわずかな違いをもたらす可能性がある

LEARではTRAPコラボレーション（PS196）が冷電磁（ペニング）トラップに格納した反陽子を用いて陽子と反陽子の質量に対する充電比率を正確に比較する一連のパイオニア実験を実施した。 蓄えられた反陽子1個からの信号を観測することができ、反陽子は最長で2カ月間トラップに蓄えられることになった。 周回する反陽子のサイクロトロン周波数を発振器で測定し、同じトラップ内のH-イオンのサイクロトロン周波数と比較することにより、最終的に9×10-11のレベルの結果を得ることに成功した。

CPT不変の仮定の下では，1964年に中性K中間子系で初めて観測されたCP対称性の破れは，T不変性も破っていることを意味する。 しかし、1998年にCPLEAR実験により、CPT保存を仮定せずに中性K中間子系でTの破れが証明された(CERN Courier March 1999 p21)。 K0とK0は時間の関数として互いにモーフィングし、Tの違反は、ある時間tにおいて、最初はK0が生成されたときにK0を見つける確率と、K0が生成されたときにK0を見つける確率が等しくないことを意味する。 CPLEARは、K0 → K+K0π- または K-K0π+ の消滅に伴う荷電Kaonの符号を測定することにより、初期Kaonの識別を確立しました。時間tにおけるK0の識別は、K0 → π+e- ν および K0 → π-e+ν の崩壊を検出することにより推測されました。 図4は小さな非対称性が実際に観測されたことを示しており、CPT不変を仮定したCP対称性の破れからの予想と一致する。

CPT定理はまた、物質と反物質は同一の原子励起スペクトルを持つべきことを予言している。 反水素-陽電子が反陽子を周回する最も単純な中性反物質-は、LEARのPS210実験で初めて観測された。 1.9GeV/cの反陽子ビームがキセノンクラスタージェットターゲットを横切り、反陽子がキセノン原子核のクーロン場を通過する際にe+e-対を生成する可能性を見出したのです。 e+は反陽子によって捕獲され、運動量1.9 GeV/cの電気的に中性の反水素となり、さらに下流でパイ中間子と光子に消滅することで検出される可能性があります。 この生成過程はかなり稀であるが，それでもPS210共同研究チームは，1995年8月から9月にかけて約2ヶ月間のデータ収集の後，LEARが停止するわずか数ヶ月前に，9個の反水素原子の証拠を報告している。 反水素の観測は2年後にフェルミ研究所の反陽子アキュムレータで確認されたが、生成断面積はずっと小さかった。

At the AD

CERNでの反水素の物語の新しい章は、反陽子を100 MeV/cまで減速し、それを反物質や原子物理の実験のために抽出するADの始動によって2000年に始まった（CERN Courier November 1999 p17）。 PS210実験では飛行中に反水素を作ろうとしたが、例えば反水素のスペクトルを研究するには、TRAPが反陽子実験で行ったように、反水素原子を電磁トラップに格納する方がはるかに便利である。 このためには、反水素を非常に低いエネルギーで生成する必要があり、ADはその実現に役立っている。 上図。 ATHENA反水素検出器の図。 右は 4つの荷電パイ中間子（黄色）と2つの511keV光子（赤色）を再構成したATHENAでの反水素消滅事象。
Image credits: ATHENA Collaboration.

2002年にADのATHENAとATRAP実験が遅い反水素原子を大量に生成することを実証した（CERN Courier November 2002 p5 and December 2002 p5)。 ATHENAではADからの反陽子のエネルギーを数キロ電子ボルトまで下げるために吸収箔を使用した。 その後、反陽子ビームのごく一部がペニングトラップに捕獲され、放射性ナトリウム源からの陽電子が第2のトラップに貯蔵された。 反陽子と陽電子の雲は第3のトラップに移されて重なり、電気的に中性の反水素が生成され、クライオスタットの壁面に移動して消滅した。 反水素検出器には、反陽子消滅による荷電パイ中間子を追跡するための2層のシリコンマイクロストリップと、陽電子消滅による光子のエネルギーを検出・測定する192個のCsI結晶のアレイが含まれています（図5）。 反水素は陽電子と同じ磁気双極子モーメントを持っているので、非一様な磁場で捕獲することができるのです。 この最初の試みはADで行われたALPHA実験で、8極磁場中で38個の反水素原子の捕獲に成功した(CERN Courier 2011年3月号p13)。 当初172ミリ秒だった反水素の蓄積時間は、後に約15分まで増加し、原子分光実験への道が開かれた。 CPTの高感度テストは、反水素原子の一重項スピン状態から三重項スピン状態への遷移（超微細分裂、HfS）を誘発し、その遷移エネルギーを非常に高い精度で知られている水素のエネルギーと比較することである。 ALPHAはマイクロ波でHfSを測定する最初の試みを行い，陽電子スピンを反転させ，23個の反水素原子をトラップから放出することに成功した（CERN Courier April 2012 p7）

別のアプローチとして，反水素ビームを用いたシュテルン・ゲルラク型実験を行うことがある。 ASACUSA実験では、反ヘルムホルツコイル（カスプトラップ）を使って反水素原子に力を加え、所定の陽電子スピン状態にある原子を選択するようにした。 そして、適切な周波数のマイクロ波で偏光を反転させることができるのです。 最初の成功したテストでは、80個の反水素原子が生成領域の下流で検出された（CERN Courier March 2014 p5）。

ASACUSAコラボレーションも、ヘリウムで停止した反陽子を使用してCPTをテストしている。 反陽子は、2つの軌道電子のうちの1つを放出することによって捕獲され、続く反陽子ヘリウム原子は、レーザー励起に従順な高レベル、長寿命の原子状態に残されたままであった。 研究グループは、2本の逆伝播レーザービーム（熱運動によるドップラー幅の拡大を抑えるため）を用いて、反陽子と電子の質量比を1.3ppbの精度で決定した（CERN Courier 2011年9月号 p7）。 陽子と反陽子の電荷質量比の比較は、先にLEARのTRAP共同研究グループが0.09ppbの精度で行っており、そのことは上述したとおりである。 ASACUSAとTRAPの結果を合わせると、陽子と反陽子の質量と電荷は0.7ppb以下のレベルで等しいと決定される。

CPTでは粒子の磁気モーメントはその反粒子と等しい（マイナス）ことが必要である。 現在ADで進行中のBASE実験では、強い磁場勾配をかけたペニングトラップでスピン依存の軸振動周波数を測定することにより、反陽子の磁気モーメントを1ppbまで決定する予定である。 この実験手法は、陽子の磁気モーメントを3ppbの精度で測定したもの（CERN Courier July/August 2014 p8）と同様である。 共同研究者はすでに反陽子と陽子の電荷質量比を比較しており、分数精度は6.9×10-11である（p7）

すべての物体は重力場において全く同じように加速されるという弱い等価原理（WEP）は、これまで反物質で検証されたことはありません。 陽電子や反陽子を使った試みは、電場や磁場の迷走の結果、今のところ失敗している。 これに対し、電気的に中性な反水素原子は、WEPを検証するための理想的なプローブです。 ADのAEgIS共同研究チームは、2回路の偏向計を用いて、通常1mの距離で反水素ビームのたるみを測定することを計画しています。 重力によって引き起こされるモアレパターンの変位は、核エマルジョン（図6）-1956年にベバトロンで反陽子の消滅を実証するために使われたのと同じ検出技術-を用いて、高解像度（およそ1μm）で測定される予定だ。 ADからの5MeVビームを電磁トラップの閉じ込め電圧に必要な数キロ電子ボルトに劣化させる際に反陽子のほとんどが失われるため、ADでの実験における反陽子の捕獲効率は現在非常に低い（0.1%未満）。 これを克服するために、ELENA（ADホールに設置される周囲30mの電子冷却型蓄積リング）は、反陽子を通常100keVまで減速する。 この新しい施設から利益を得ることになる実験のひとつがGBARで、反水素の重力加速度を測定することも目的としている。 陽電子は4.3MeVの電子リニアックで生成され、正の反水素イオン（すなわち2つの陽電子を持つ反陽子）を作るために使用され、電磁トラップに移されて10mKに冷却されることができる。 陽電子の1つが切り離された別のトラップに移された後、反水素は約1m/sの平均速度で垂直に打ち上げられる（CERN Courier March 2014 p31）

バークレーでの反陽子の発見は、7時間の実行中に観測された約60個の反陽子に基づいていたことは思い出す価値があります。 1.2GeV/cのビームは反陽子より5×104個多くパイ中間子を含んでいた。 今日、ADは100MeV/cで約3×107個の反陽子の純粋なビームを100秒ごとに供給しており、CERNの研究所は反物質の研究において世界でもユニークな存在となっている。 数十年にわたり、反陽子ビームは新しい中間子の発見につながり、物質と反物質の間の対称性の精密な検証を可能にしてきた。 そして今、水素と反水素の性質を比較するために、ELENAで正確な実験が行われることになった。 物理学の基本法則であるCPT定理があるため、厳密な対称性の破れが見られる確率は低い。 しかし、1957年にパリティの非保存が、1964年にCP対称性の破れが発見されたように、経験上、最終的には実験に軍配が上がるのです」

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