古い冗談があります — 「原子を信用するな。それらがすべてを構成しています。」
ちょっと一息。
確かに原子は、あなたの体から、この記事を読んでいるスマートフォンやコンピューターの画面に至るまで、あらゆるものを構成していますが、宇宙には原子よりもさらに小さなものが存在することをご存知ですか?これらの亜原子粒子は、私たちが理解し始めたばかりのユニークな役割を果たしています。これらの粒子が何であるか、それらが何をするのか、そしてそれらについてまだ何を学んでいるのかを詳しく見てみましょう.
素粒子とは
具体的な例を調べる前に、それらが何であるかを定義しましょう。亜原子粒子の定義:「水素原子よりも小さい物質のさまざまな粒子のいずれか」。これらの粒子が最初に発見されたとき、5 個ありました。陽子、中性子、電子、原子を構成する粒子の 3 つについては、既に説明しました。他の 2 つの元の粒子、ニュートリノと陽電子については、すぐに説明します。
今日、非常に多くの粒子が発見されたため、一部の物理学者はこれを粒子動物園と呼んでいます。これらの粒子を詳しく見てみましょう。これらの粒子は非常に小さいため、一生のうちに目にすることはないかもしれません.
光子があなたの人生を照らします
光子から始めます。これらの亜原子粒子は、ボースン素粒子の一種です。この場合の初級とは、私たちが知っているより小さなもので構成されていないことを意味します。この亜原子粒子は、おそらくあなたがよく知っているものです。目を開けたり、明かりをつけたり、太陽の下に出たりするたびに、光子が見えます。フォトンは軽いです — そして、それらが重くないという意味ではありません。光線は移動する光子で構成されます。
真空中では、これらの粒子は光の速度で移動できます — それができる数少ないものの 1 つ — そして質量を持ちません。光子よりも速く移動するものはなく、ブラック ホールの事象の地平線に吸い込まれたとしても、光子は光の速度、つまり 299,792,458 メートル/秒より速く加速することはできません。それが宇宙の速度制限です。
ニュートリノはすべてを通過
ニュートリノは質量がほとんどない特異な粒子です。それらは電子に似ていますが、電荷を持たないため、電子のように電磁力に反応しません。現在までに、電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの 3 種類のニュートリノが検出されています。
ニュートリノは質量がほとんどなく、ほぼすべてのものを通過できるため、検出が非常に困難です。太陽の核融合反応がそれらを生み出すことを私たちは知っています。さらに、星が超新星になるときに発生することはわかっていますが、それ以上のことはあまりわかっていません。ニュートリノは光速よりも速く移動できると簡単に考えていましたが、残念ながら、その発見は大型ハドロン衝突型加速器内の欠陥のある監視装置によって引き起こされました。しかし、これらのとらえどころのない小さな粒子ができることの 1 つは、シェイプシフトです!物理学者は、スイスのジュネーブにある CERN からミュー ニュートリノのビームを発射し、イタリアのグラン サッソ研究所に到着するまでに、それらはタウ ニュートリノにシフトしていました。
陽電子は反電子です
私たちが知っているように、電子は負の電荷を持っており、原子核内の正に帯電した陽子に引き寄せられます。陽電子は、これからお話しする最初の反粒子です。それらは電子の反対であり、同じ質量を持ち、正の電荷を持っています。正の電子または反電子と呼ばれることがあります。
Carl David Anderson は、1932 年に最初の反粒子である陽電子を発見しました。陽電子は、電子と爆発的に反応するため、研究が困難です。真空中で生成しても、反応可能な電子が得られます。
クォークには風味があります
クォークは楽しいです。それらには 6 つの異なるフレーバーがあります。物理学者でさえ、これらの異なる種類の亜原子粒子をフレーバーと呼んでいます。宇宙には、アップ、ダウン、トップ、ボトム、ストレンジ、チャームド クォークを見つけることができます。これら 6 つのクォークはそれぞれ、量子状態に応じて赤、青、緑の 3 色になります。
周期表のすべての原子の陽子と中性子は、すべてクォークで構成されています。私たちが知る限り、クォークよりも小さいものはありません。もちろん、素粒子物理学について私たちが知らないことがあまりにも多いので、この主題についての本のライブラリを作成できます。
パイオンが隠れている
パイ中間子は 1 つのクォークと 1 つの反クォークで構成されているため、検出が困難です。この構成の問題は、粒子と反粒子が互いに接触するときに発生します。これが起こると、クォークが同じフレーバーである場合、それらは爆発する傾向があります.たとえば、1 つのアップ クォークと 1 つのダウン アンチクォークで構成される pion を持つことができます。
これらの粒子は、フォース キャリアとして知られています。それらは核子間で力を伝達しますが、最終的には電子などのレプトンに分解されます。それらが何に崩壊するかは、電荷によって異なります:
- 正のパイ中間子:1 つのアップ クォークと 1 つのダウン アンチクォークで構成される
- 負のパイオン:1 つのダウン クォークと 1 つのアップ アンチクォークで構成されています
- 中性パイオン:1 つのアップ クォークと 1 つのアップ アンチクォークで構成される
グルオンがすべてをまとめている
2 つの物をくっつける必要がある場合は、接着剤のボトルが手に入ります。しかし、エルマーの接着剤は小さな粒子には少し大きすぎるため、グルーオンの出番です。科学者たちは、ボスン粒子として分類されるこれらの粒子がクォークを一緒に保持していると考えています。クォークには 6 つのフレーバーと 3 つの色がありますが、グルーオンには 8 つの異なる色があります。それらの色は、一緒に保持しているクォークの量子状態によって異なります。
グルオンは、フェルミの範囲内にあるときに互いに相互作用して、クォークと反クォークのペアを作成する可能性もあります。これは、グルオンと他の亜原子粒子との間の他のタイプの相互作用とは異なります。これにより、物理学者は、口語的に「グルーボール」として知られるグルオンの集まりが存在する可能性があると理論化しました。グルオンは、ハドロンの構成にも役立ちます。観測されたハドロンの内部状態は、バランスのとれた数のグルオンとそれに関連するクォークと反クォークのペアで構成されています。
ヒッグスボースンはとらえどころのない
この粒子は、近年最もエキサイティングな発見の 1 つです。神の粒子としても知られるヒッグスボースンは、1970 年代に理論化されました。物理学者は、何かが弱い電磁力を一緒に保持しなければならないことに気付きましたが、それを捉えることはできませんでした。 CERN 大型ハドロン衝突型加速器で働いている科学者が最終的に 1 つを観測したのは 2013 年のことでした。少なくとも、ヒッグス・ボースン理論と一致する質量を持つ粒子を観測しました。
理論的には、ヒッグス・ボーサンは他の粒子に質量を与えますが、この記事の執筆時点では科学者はこの現象を観察していません。もちろん、誰もがこのとらえどころのない粒子を発見するという考えに興奮しているわけではありません。スティーブン・ホーキングと他の多くの科学者は、ヒッグス粒子の終末の理論を信じています。この理論では、ヒッグス場内の量子ゆらぎによって作成された真空バブルが宇宙を一掃する可能性があります。ありがたいことに、この理論を支持する人々でさえ、それがすぐに起こるとは信じていません.
重力子は理論上のもの
グラビトンは、宇宙全体の重力を媒介すると考えられている興味深い理論上の粒子であることがわかります。グラビトンは現在、観測されていない粒子として分類されています。物理学の世界では重力が事実であることを知っているので、量子物理学で重力を表す何かがなければなりません。それがグラビトンです。
私たちはグラビトンを理論的と呼んでいますが、それらは既知の粒子と未知の粒子の間の灰色の領域に存在します。少なくとも私たちが現在物理法則を理解している限り、それらまたはそれらのようなものが存在する必要があることはわかっています。今日まで、私たちは宇宙でも実験室でもそれらを観察していません.
タキオンは存在しない
タキオン粒子についての言及が 1 つもなければ、SF 番組を見ることはできません。これらの理論上の粒子は、おそらく光よりも速く移動します。 SF ショーでは、2,000 光年離れた場所 (バビロン 5) からのリアルタイム通信から、スタートレック ユニバースのほぼすべての問題まで、すべてを説明するために、それらを機械神として使用することがよくあります。
これらの粒子が存在する可能性はありますが、現時点では、SF の領域にとどまっています。そうは言っても、素粒子物理学にはまだ理解できないことがたくさんあります。私たち自身の星間裏庭で、タキオンやそれに似た名前を付けたものが見つかる可能性は十分にあります。私たちが海底の 5% しか探索していないように、私たちは種として素粒子物理学の表面をかろうじてかじったに過ぎず、それを理解し始めると、それが解き放つ可能性があります。
X17 が新しくなりました
天体物理学者によると、暗黒物質と暗黒エネルギーが宇宙の大部分を占めています。実際、NASA によると、宇宙は 68% の暗黒エネルギー、27% の暗黒物質、および 5% の他のすべてのものです。はい、そのとおりです。私たちの故郷である惑星と、宇宙の小さな隅から観測できるすべてのものは、既知の宇宙の 5% しか占めていません。暗黒エネルギーと物質が理論レベルで存在することはわかっていますが、これまで、それを観察したり、その存在を証明したりするツールがありませんでした.
2016 年、ハンガリーの物理学者は、その質量から X17 と名付けた新しい粒子の痕跡を検出し始めました。 2003 年に物理学者がそのようなものが存在する場合、現在観測できない暗黒物質を運ぶことができることを示したときに、最初に理論化されました。 X17 の存在はまだ確認されていませんが、実行可能であることが証明されれば、暗黒物質物理学のまったく新しい分野への扉が開かれる可能性があります。
ボーナス:反物質!
反粒子に言及せずに粒子について語ることはできず、少なくとも反物質について少し触れずにそれらについて議論することはできません。
私たちの宇宙の物質は、陽子、電子、中性子の混合物で構成されています。反物質はその反対です。反物質には、反陽子、反中性子、および陽電子 (前述の反電子) が含まれます。物質と接触すると、反物質は破壊的な爆発で大量のエネルギーを放出します。サイエンスフィクションはこの品質が大好きです。反物質はサイエンス フィクションで人気の武器です。これらの爆発を封じ込めて利用することが、スタートレックのワープ ドライブの基礎となっています。
宇宙全体が反物質でできている可能性があります。私たちが反物質として見ているものは、他の存在にとっては単なる物質です.私たちがその宇宙に導入したものは、反物質がこの宇宙で行うのと同じくらい激しく反応するでしょう.この説明はサイエンス フィクションのように思えるかもしれませんが、CERN の科学者は実験室で少量の反物質を作ることに成功しました。宇宙船に電力を供給するにはまだ十分ではありませんが、正しい方向への一歩です!
原子はすべてを構成しているかもしれませんが、それらの原子を構成しているのは亜原子粒子です。あなたの好きな素粒子は何ですか?
