「物質」と電気的に正反対の性質をもつ「反物質」が出合うと、それらは光子や他の粒子に変換される対消滅と呼ばれる現象を起こす。電子と陽電子が対消滅した場合は、ガンマ線という高エネルギーの放射線が放出される。

この原理を基に構想されているのが、高エネルギーのガンマ線レーザーだ。その実現に一歩近づく新たな理論モデルが、このほど物理学学術誌「Physical Review A」で報告された。

レーザー光とは、同じ波長の電磁波を発生させて増幅させた人工的な光のことを指す。特定の周波数をもつ電磁波の山と山、谷と谷が揃って重ね合わさった「コヒーレント光」は拡散せずに直進し、遠距離の小さなスポットに収束させることができる。収束性と直進性に優れたレーザー光は、例えばレーザーポインターのように離れた場所にある図などを指し示すことが可能だ。

レーザー光の生成は、可視光範囲の周波数のほかに、電波、赤外線、紫外線、X線など、ほぼすべての電磁波で可能である。しかしX線よりも波長が短く、最もエネルギーの大きい領域にあるガンマ線を生成するための技術と、そのために適切な物質を探し出すのは困難だった。今回、カリフォルニア大学リヴァーサイド校の物理学者アレン・ミルズ博士が提唱したガンマ線レーザー生成の理論モデルでは、ポジトロニウムとヘリウムの使用を提唱している。

物質と反物質を内包するポジトロニウム

ポジトロニウム（Ps）とは、電子とその反粒子である陽電子が電磁相互作用によって束縛されている水素に似た粒子だ。「物質」と「反物質」の混合物ともいえるこの粒子の寿命は非常に短く、すぐにガンマ線へと消滅してしまう。

この崩壊の仕方には2通りある。125ピコ秒（1ピコ＝1兆分の1）でそれぞれ511KeV（キロ電子ボルト）のエネルギーをもつ2本のガンマ線に崩壊するものと、142ナノ秒（1ナノ＝10億分の1）で総エネルギー1022KeVをもつ3本のガンマ線に崩壊するものだ。

ポジトロニウムからガンマ線レーザーを生成するには、この物質がボーズ・アインシュタイン凝縮体と呼ばれる極低温の状態にある必要があることが、1957年に初めて理論的に発表されている。ボーズ・アインシュタイン凝縮とは、原子集団が絶対零度近くまで冷却され最低エネルギー状態となったとき、個々の原子は別々にふるまうことなく、すべての原子がひとつであるかのようにふるまる現象のことを指す。

ボーズ・アインシュタイン凝縮体の状態にある大量のポジトロニウム原子は、揃って同一の量子状態となり、レーザー生成に向いた“コヒーレント”な状態になるという。

次なるステップは理論から実験へ

ミルズの計算では、ポジトロニウム原子を極低温（-269℃）の液体ヘリウム（4He）に混ぜ合わせることで、通常すぐに消滅してしまうポジトロニウムを安定させることができる。ヘリウムはポジトロニウムをはじくので、液体ヘリウムの中ではポジトロニウムの原子で満たされた気泡が形成されるのだという。

「わたしの計算では、液体ヘリウム中の100万個のポジトロニウム原子を含む気泡は、通常の空気の6倍の数密度をもち、物質と反物質のボーズ・アインシュタイン凝縮体として存在することを示しています」と、ミルズ博士は説明している。

彼の次のステップは、この理論を実験に持ち込むことだ。ガンマ線レーザーの開発は、新たな医療画像技術やガン治療への応用のみらず、宇宙船のレーザー推進の実現も期待できるという。

※『WIRED』による研究結果の関連記事はこちら。