反水素原子内部エネルギー差の測定精度で画期的進展 (Researchers in breakthrough precision on energy difference inside antihydrogen atoms)

2026-05-27 スウォンジー大学

英スウォンジー大学の研究チームは、CERNのALPHA共同研究グループの一員として、反水素原子内部のエネルギー差(基底状態超微細構造)の測定精度を従来比100倍に向上させる成果を達成した。研究成果は『Nature』に掲載された。反水素は反陽子と陽電子から構成される反物質であり、その性質を高精度で調べることは、宇宙で反物質が極端に少ない理由を解明する手掛かりになると期待されている。今回のブレークスルーでは、スウォンジー大学が開発したベリリウムイオンによるレーザー冷却技術を用い、陽電子を効率的に冷却したことで、大量の反水素生成と長時間捕捉を実現した。実験では2万5,000個以上の反水素原子を用い、これまでで最大規模の測定を行った。研究チームは、反水素の微細構造や水素とのわずかな差異をさらに詳細に調べることで、量子力学やCPT対称性の理解深化、さらには物質・反物質非対称性の謎の解明につながる可能性があるとしている。

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Nature  Published:27 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10556-x

反水素原子内部エネルギー差の測定精度で画期的進展 (Researchers in breakthrough precision on energy difference inside antihydrogen atoms)

Abstract

The hydrogen atom is a touchstone for the foundations, evolution and frontiers of quantum theory1,2,3,4,5,6,7,8,9. Key spectral lines of this atom have been determined to remarkable precision10,11. Our research focuses on the study of antihydrogen, the antimatter counterpart of hydrogen. We test fundamental symmetries of nature (such as simultaneous charge conjugation, parity inversion, and time reversal or CPT symmetry) through precision comparisons of these atomic systems12. Recent 1S–2S spectroscopic measurements on trapped antihydrogen have achieved relative precisions of parts per trillion (refs. 13,14). However, the ground-state hyperfine splitting, which is sensitive to the internal structure of the antiproton, has only been measured to 400 parts per million (ppm). Here we report a 4 ppm measurement of the antihydrogen ground-state hyperfine splitting energy a1S, advancing the state-of-the-art precision15 by two orders of magnitude. From microwave spectroscopy experiments with roughly 24,000 anti-atoms, we determine \({a}_{1{\rm{S}}}/h=\mathrm{1,420,404.8}\pm 1.1(\mathrm{stat.})\pm 5.6\,(\mathrm{sys.})\,\text{kHz}\) in a 1-T magnetic field, consistent with expectations for hydrogen11. At this level, our measurement is sensitive to the internal structure of the antiproton, which contributes at about 40 ppm and is approaching the limit of existing theoretical analyses16. The gains we report are the product of marked advances in magnetic trap field control, stabilization and characterization; anti-atom spin-state manipulation; and improved antihydrogen accumulation rate17.

1701物理及び化学
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