反物質は実在する物質であり、単なる SF の話題ではありません。反物質は、通常の粒子とは逆の電荷を持ち、量子数が異なる反粒子で構成される物質です。
通常の原子には、負に帯電した電子の雲に囲まれた正に帯電した陽子と中性子の原子核があります。反物質原子は、陽電子と呼ばれる正に帯電した反電子に囲まれた、負に帯電した反陽子と中性 (まだ異なる) 中性子の原子核を持っています。物質と反物質の原子とイオンは、互いにまったく同じように振る舞います。反物質は、物質とまったく同じように、化学結合を形成し、おそらく分子を形成します。宇宙のすべてが突然物質から反物質に切り替わったとしても、その違いはわかりません.
物質と反物質が衝突すると、その結果は消滅します。粒子の質量はエネルギーに変換され、ガンマ光子、ニュートリノ、その他の粒子として放出されます。エネルギーの放出は計り知れません。たとえば、1 キログラムの物質を 1 キログラムの反物質と反応させることによって放出されるエネルギーは 1.8×10 ジュールであり、これはこれまで爆発した最大の熱核兵器であるツァー ボンバの出力よりわずかに小さいです。
反物質の例
反物質は、放射性崩壊、極度の高温、高エネルギー粒子の衝突という 3 つの条件で定期的に形成されます。粒子コライダーは、陽電子、反陽子、反中性子、反原子核、反水素、および反ヘリウムを生成しました。
しかし、高エネルギー物理学の施設に行かなくても、反物質に出会うことができます。バナナ、人体、およびカリウム-40の他の天然源は、β崩壊から陽電子を放出します.これらの陽電子は電子と反応し、消滅からエネルギーを放出しますが、反応は健康への脅威をもたらしません.雷は陽電子も生成し、物質と反応してガンマ線を生成します。宇宙線には、陽電子といくつかの反陽子が含まれています。 PETスキャンには陽電子が含まれます。太陽フレアは反陽子を放出する可能性があり、これがバン アレン帯に閉じ込められてオーロラを引き起こす可能性があります。中性子星とブラック ホールは、陽電子電子プラズマを生成します。
反物質の使用
研究に加えて、反物質は核医学で使用され、燃料や兵器として使用される可能性があります。
陽電子放出断層撮影法 (PET) は、陽電子を放出する放射性同位体を使用します。陽電子は電子を消滅させるときにガンマ線を放出します。検出器は、ガンマ線放出をマッピングして、身体の 3 次元画像を形成します。反陽子は、がん細胞を殺す治療法としても使用される可能性があります。
反物質反応は他の燃料よりも推力対重量比が高いため、反物質は惑星間および星間旅行の燃料になる可能性があります。消滅生成物にはガンマ線 (電子-陽電子反応の場合) とパイ中間子 (陽子-反陽子反応の場合) が含まれるため、推力の方向付けが困難です。荷電粒子の方向を制御するために磁石が使用される可能性がありますが、この技術が反物質ロケットで火星に到達するまでには、まだ長い道のりがあります。
理論的には、反物質は核兵器のトリガーとして使用でき、物質と反物質の反応は爆発物になる可能性があります。 2 つの欠点は、十分な量の反物質を生成して保管するのが難しいことです。
反物質はどのように保存されますか?
反物質は同じ量の物質と反応して消滅するため、通常の容器に反物質を保管することはできません。代わりに、科学者は反物質を保持するためにペニング トラップと呼ばれる装置を使用します。ペニング トラップは電場と磁場を使用して荷電粒子を所定の位置に保持しますが、中性の反物質原子を保持することはできません。物質と反物質の原子は、原子トラップ (電気双極子または磁気双極子に基づく) とレーザー (磁気光学トラップと光ピンセット) によって保持されます。
物質と反物質の非対称性
観測可能な宇宙は、ほぼ完全に通常の物質で構成されており、反物質はほとんど含まれていません。つまり、物質と反物質に関して非対称です。科学者たちは、ビッグバンが同量の物質と反物質を生成したと信じているため、この非対称性は謎です.物質と反物質の量が均一ではなかったため、ほとんどの物質と反物質が互いに消滅した可能性があります。これが起こった場合、それは大量のエネルギーを生成し、（比較的）少量の通常の物質が生き残るか、宇宙が物質と反物質のポケットで構成されています.後者のイベントが発生した場合、遠方の反物質銀河が見つかる可能性があります。反物質銀河が存在する場合、通常の銀河と同じ化学組成、吸収スペクトル、発光スペクトルを持つため、検出するのは困難です。それらを見つける鍵は、物質と反物質の境界で消滅イベントを探すことです.
歴史
アーサー・シュスターは、1898 年にネイチャーへの手紙の中で「反物質」という用語を作り出しました。シュスターは、反原子と物質対物質消滅のアイデアを提案しました。反物質の科学的基礎は、ポール・ディラックによって始まりました。 1928 年にディラックは、電子のシュレディンガー波動方程式に相当する相対論が反電子を予測したと書いています。 1932 年、カール D. アンダーソンは反電子を発見し、陽電子 (「正の電子」) と名付けました。ディラックは、1933 年のノーベル物理学賞をアーウィン シュレディンガーと「原子論の新しい生産的な形式の発見に対して」共有しました。アンダーソンは、陽電子の発見により 1936 年にノーベル物理学賞を受賞しました。
参考文献
- アガキシエフ, H.;ら。 （STARコラボレーション）（2011）。 「反物質ヘリウム4原子核の観測」。 自然 . 473 (7347):353–356. doi:10.1038/nature10079
- アモレッティ、M.;ら。 （2002）。 「冷たい反水素原子の生成と検出」。 自然 . 419 (6906):456–459. doi:10.1038/nature01096
- カネッティ L.;ら。 （2012）。 「宇宙の物質と反物質」。 新しい J. Phys . 14 (9):095012. doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012
- ディラック、ポール A. M. (1965)。 物理ノーベル賞 . 12. アムステルダム - ロンドン - ニューヨーク:エルゼビア。 pp. 320–325.
