ミクロの世界 目次

ミクロの世界

ミクロの世界その１
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/397949506.html

ミクロの世界その2　素粒子その１（物質を作る素粒子）
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/398140792.html

ミクロの世界その３　素粒子その2（力を伝える素粒子）
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/398293050.html

重力（四つの力のひとつ）
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/398516271.html

電磁気力（4つの力の内の一つ）
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/398797529.html

強い力（4つの力の内の一つ）
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/398944261.html

弱い力（4つの力の内の一つ）
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/399011748.html

ヒッグス粒子
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/399087448.html

反物質
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/399299508.html

超対称性粒子
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/399611453.html

超ひも理論、Ｍ理論
http://parvicelllungcancer.seesaa.net/article/399821162.html


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超ひも理論、Ｍ理論

超ひも理論、Ｍ理論

今回でミクロの世界最終です。

つい最近までは、究極の最小物質は素粒子であると考えられていました。

ところが素粒子の数はいまや64個に達しあまりに多すぎるのではないか、ミクロの究極理論はもっと単純なのではないかという疑問。

さらには重力を含める四つの力（電磁力、弱い力、強い力、重力）を統合するために、ひいては相対性理論と量子力学を融合させるために、1980年代初頭から超ひも理論が台頭し始めました。

これによると物質の最小は点ではなくて、大きさを持ったひもであるというのです。

ひもの大きさはプランク長（10^(-35)m、10の-35乗m）程度とされています。

ひもには閉じたひもと開いたひもがあるそうです。

図


万物の最小単位は振動するひもであり、その振動数、振幅によって様々な素粒子となるとしています。

開いたひも
バイオリンは共振と呼ばれる様々な振動パターンを持っていて色々な音色を奏でます。これと同じようにひもの色々な振動パターンは、それぞれ色々な素粒子に対応するとしています。激しく振動して振幅が大きく波長が短い振動パターンほど、エネルギーが高く質量が重い素粒子であるといえるでしょう。

図開いたひも


閉じたひも
閉じたひもも下図に示すように様々な固有振動パターンをとることができ、激しい振動すなわち振幅が大きく波長が短いほど、エネルギーが高く質量が重い素粒子であるといえるでしょう。

図閉じたひも


この超ひも理論を採用すると、重力をミクロの世界に取り込むことが出来て、重力の量子力学への展開が可能になります。

ただしこのひも理論が成立するためには、10次元が必要であり、我々の認知する3次元＋時間＝4次元よりも6次元多いことが必要条件らしい。ひも理論学者によると我々の住む世界では、残りの6次元はコンパクト化されて見えなくなっているとしています。

超ひも理論の研究者達は、研究過程で独立した五つの超ひも理論があるということを見いだしました。
（Ｔｙｐｅ�T、Ｔｙｐｅ�UＡ、Ｔｙｐｅ�UＢ、ヘテロＯ、ヘテロＥ）

万物の理論（ばんぶつのりろん、TOE;Theory of Everything）はただ一つのはずであり、この「理論が五つある」という結果に当時の研究者達は頭を抱えてしまいました。

1980年代後半から研究者達を悩ませていた五つの理論問題に対して、1995年にウィッテンがＭ理論を提唱しました。
Ｍ理論の特徴は以下の3つです。
１．五つの超ひも理論は一つのＭ理論に統合できる。
２．Ｍ理論は11次元を必要とする。
３．Ｍ理論はn次元の膜（ブレーン）を有する。

私たちが住んでいる世界は、3次元の膜（ブレーン）と時間と我々には見えないコンパクト化した7次元であるとしています。
図


重力は閉じたひもであり、我々の空間には束縛されず余剰次元（異次元）とも相互作用します。その他の3つの力や物質の素粒子は、3次元膜（ブレーン）に束縛されており、余剰次元（異次元）とは縁が切れています。


この超ひも理論は理論的にはかなりの進展をしてきましたが、科学（物理学その他）の分野では、それを実証する必要があります。プランク長（10の-35乗m）という極微の世界を極めるには相当時間がかかると思われます。



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超対称性粒子

超対称性粒子

超対称性粒子は超対称性理論によって存在が予測されている粒子です。標準理論にもとづく素粒子26個の各素粒子が持つスピンにたいしてスピン1／2だけ異なる素粒子（超対称性粒子）の存在が予測されています。
たとえばフォトンの超対称性粒子はフォティーノ、クォークの超対称性粒子群はスカラークォーク（たとえばアップクォークの超対称性粒子はスカラーアップクォーク）、レプトンの超対称性粒子群はスカラーレプトン（たとえば電子の超対称性粒子はスカラー電子）などと呼ばれます。

図　超対称性粒子一覧


超対称性粒子は非常に重い（エネルギーが大きい）と考えられます。
フォティーノ（ニュートラリーノ）はダークマターの有力候補です。
超対称性粒子が発見されれば、大統一理論さらには超ひも理論の確立に大いに貢献することになります。

しかしながら2014年6月11日現在、超対称性粒子はまだ発見されていません。今のCERN加速器では能力が不足してるのかもしれません。


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反物質

反物質

反物質とは？
反物質（はんぶっしつ、英: antimatter）は、質量とスピンが全く同じで、構成する素粒子の電荷などが全く逆の性質を持つ反粒子によって組成される物質です。

例えば、電子はマイナスの電荷を持つが、反電子（陽電子）はプラスの電荷を持ちます。中性子と反中性子は電荷を持たないが、中性子はクォーク(二個のダウンクォーク(-1/3)と一個のアップクオーク(+2/3))、反中性子は反クォーク（二個の反ダウンクォーク(+1/3)と一個の反アップクォーク(-2/3)）から構成されています。

陽子は二個のアップクォーク(+2/3)と一個のダウンクォーク(-1/3)から、反陽子は二個の反アップクォーク(-2/3)と一個の反ダウンクォーク(+1/3)から構成されます。
反陽子の荷電は、2*(-2/3)+1*(+1/3)= -1 となります。

図　物質と反物質


反物質の一覧を下に示します。
図


なお反物質間に働く4つの力は、物質間に働く4つの力と同じです。

反物質発見の歴史
1928年、物理学者のポール・ディラックはディラック方程式の解から反物質の存在を予言。

1932年、宇宙線の研究をしていた物理学者のアンダーソンにより正の電荷を持つ電子、陽電子が発見される。1955年、物理学者のセグレとチェンバレンにより、前年に建設された粒子加速器ベヴァトロンを用いて反陽子を発見。この実験では反中性子も発見されている。

1995年、欧州原子核研究機構(CERN)とドイツの研究チームにおいて、陽電子と反陽子からなる「反水素」が生成された事が分かり、翌年1月に発表。

2010年11月 欧州原子核研究機構で日本を含む国際共同研究実験グループにおいて、反水素原子38個を磁気瓶に閉じ込めることに成功（反水素原子の存続時間は0.2秒間）[2]。

2011年4月、米ブルックヘブン研究所(BNL)の実験により、これまでで最も重い反物質である「反ヘリウム原子核」が合成された。

2011年6月、欧州原子核研究機構で日本の理化学研究所や東京大学含む日米欧などの国際共同研究実験グループにおいて、反水素原子を1000秒以上閉じ込めることに7回成功。装置は前回と同様の物を用いた。

対消滅
物質と反物質が衝突すると対消滅を起こし、質量がエネルギーとなって放出されます。これは反応前の物質・反物質そのものが完全になくなってしまい、消滅したそれらの質量に相当するエネルギーがそこに残るということです。

反物質１グラムは物質１グラムとともに消滅し、180＊10の12乗ジュールのエネルギーを発生します。これは、5000メガワット時に相当するから、都市の１カ月間の電力使用量くらいに相当します。


対生成

対消滅とは反対に、真空の１点に 光子や、Ｚ粒子、グルーオンなどからなる高いエネルギーを集中させれば、そこから粒子と反粒子の対を取り出すことができます。これを対生成と呼んでいます。


真空とは
“真空”は“無”ではありません。ミクロの世界では量子論的効果により“存在という概念”自体が揺らいでいるため、無数の物質と反物質が生成と消滅を繰り返しています。ただこれらのプロセスがプランク時間（5.39106×10のｰ44乗 秒）、プランク長（1.616199×10の-35乗m）の範囲内で起きているため、通常はマクロの世界からは“観測されない”だけなのです。


自然界での反物質の消滅（反物質はどこに消えた）

物質と反物質は鏡のように性質が逆なだけでその寿命を全く同じだと考えられてきた（CP対称性）が、1964年にCP対称性の破れが発見され「反物質の寿命が物質よりもわずかに短かい」事が分かりました。これにより、初期宇宙の混沌の一瞬の間の「物質と反物質の対生成と対消滅」において、ほんのわずかだが反物質だけが消滅し物質だけが取り残されるケースがあり、無限に近いほどの回数の生成・消滅の果てに、「やがて宇宙は物質だけで構成されるようになった」と説明されています。


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ヒッグス粒子

ヒッグス粒子

クォークやレプトンは軽い重いの差はあってもいずれも質量を有しています。ゲージ粒子の中でも「弱い力」は質量をもっています。
質量の無いのは、光子、グルーオンなどです。質量のない粒子は光速で動きますが、質量のある素粒子は光速より遅く、質量が重いほど遅くなります

素粒子質量一覧図



「素粒子が質量を持つに至った経緯」

宇宙創生期はいずれの素粒子も光速で飛び回っていました。

宇宙創生直後、真空の相転移（インフレーション）が起こり、宇宙はヒッグス粒子で満たされたヒッグス場となりました。
多くの素粒子はヒッグス粒子と相互作用して質量を持つようになりました。その際、ヒッグス粒子との相互作用が強い素粒子ほど大きな質量を獲得しました。


ヒッグス粒子発見！！

2012年7月4日：ヒッグス粒子と思われる新粒子を発見
(CERN Press Release訳)
http://atlas.kek.jp/sub/CERN-LHC/PR17.12_J.pdf

2013年3月14日：発見された粒子はヒッグス粒子であることを示唆
(CERN Press Release訳)
http://atlas.kek.jp/sub/CERN-LHC/PR20130314_J.pdf

2013年10月8日：F. EnglertとP. Higgs氏がヒッグス粒子発見に関連してノーベル物理学賞受賞。

余談ですがP.Higgs氏は2014年現在85歳です。
彼がヒッグス粒子の存在を予告したのは1964年です。
それから発見されるまで実に50年近い年月が経っています。

発見した実験装置は、CERN（欧州原子核研究機構）研究所の
LHC（Large Hadron Collider：大型ハドロン衝突型加速器）で、ヒッグス粒子検出器はATLAS検出器です。
CERNには日本からも多くの物理学者が参加しています。

http://alice-j.org/lhc.html
http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/atlas/public/lhc/lhc.html
http://atlas.kek.jp/atlas.html


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弱い力（4つの力のひとつ）

弱い力

弱い力は、中性子のベータ崩壊などの放射性崩壊を引き起こす力です。弱い力を伝える粒子はウィークボソンといい、Ｗ-粒子、Ｗ+粒子、Ｚ粒子の三種類があります。この弱い力は４つの力の中で唯一質量を持っており、その重さは陽子の８０〜９０倍程度です。力の強さは電磁気力と強い力の中間ぐらいで、力の届く距離は４つの力の中で最も短いです。

図4つの力


図ベータ崩壊の説明図（ファインマン図）


ベータ崩壊の例を二つあげます。

β-崩壊（左上図を参照）
中性子中の1個のダウンクォーク(d)が、Ｗ-を経由して電子（ベータ粒子）と反電子ニュートリノを放出し、アップクォーク(u)となり、中性子が陽子になる現象です。

β+崩壊（左下図を参照）
陽子中の1個のアップクォーク(u)が、Ｗ+を経由して陽電子（ベータ粒子）と電子ニュートリノを放出し、ダウンクォーク(d)となり、陽子が中性子になる現象です。
















このベータ崩壊の例は太陽の熱核融合反応です。
β+崩壊で陽子が中性子となり、別の陽子と結合して重水素原子核を作ります。基本反応式は下記の通りです。

陽子　→　中性子　＋　Ｗ+
Ｗ+　→　陽電子　＋　ニュートリノ
陽子＋中性子→重水素原子核


詳細な説明

太陽の中心部では水素原子4個が融合してヘリウム原子1個がつくられる核融合反応がおこっています。ヘリウム原子1個の質量は、水素原子4個分の質量より0.7％ほど軽く、この失われた質量がエネルギーに変換されて、太陽の輝きのもとになっているのです。

この水素（陽子、p）どうしが直接反応する水素核融合を、陽子-陽子連鎖反応、p-pチェインなどと呼びます。太陽で主に起こっている核融合反応です。

(1) 2つの陽子（p ）が融合して、重水素（2H）となり陽電子（e+）と電子ニュートリノ（νe）が放出される。（この部分がベータ崩壊です。）

p + p → 2H + e+ + νe

(2) 重水素（2H）と陽子（p）が融合してヘリウム3（3He）が生成され、ガンマ線（γ）としてエネルギーが放出される

2H + p → 3He + γ

(3) ヘリウム3（3He）とヘリウム3（3He）が融合してヘリウム4（4He）が生成され、陽子（p）が放出される。

3He + 3He → 4He + p + p

生成した二個の陽子（p）は、（１）の反応をする。以下繰り返し。

http://spaceinfo.jaxa.jp/ja/sun.html

http://kai-kuu.jugem.jp/?eid=828&guid=ON&view=mobile&tid=3


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