宇宙は驚くべき秘密でいっぱいです。恐ろしいブラックホール、「ダークマター」の逆説、予測不可能な二重星。最も有名で興味をそそるパズルの1つは、もちろん、「裏返し」の問題からなる反物質です。この現象の発見は、過去1世紀における最も重要な物理学の成果の1つです。
これまで科学者たちは、素粒子は宇宙の基本的かつ不変の構成要素であると確信していました。それは生まれ変わることも消えることもありません。この退屈で単純な絵は、反世界陽電子からの負に帯電した電子とその対応物が相互に破壊され、エネルギー量子を生み出すことが判明したときの過去のものです。そして後になって、素粒子は一般的に互いに変わっていき、そして最も奇妙な方法で変わっていくことが明らかになりました。反物質の発見は、宇宙の性質に関するアイデアの根本的な変容の始まりでした。
反物質は、サイエンスフィクションの長年の人気トピックです。スタートレックカルトからのエンタープライズ船は銀河を征服するために反物質エンジンを使用しています。ダン・ブラウンの著書 『天使と悪魔』では、主人公はローマをこの物質に基づいて作られた爆弾から救っています。物質と反物質との相互作用によって得られる無尽蔵の量のエネルギーを支配すると、人類は最も大胆なサイエンスフィクションの予測よりも優れた力を獲得するでしょう。数キログラムの反物質で銀河を越えることができます。
しかし、武器や宇宙船の製作はまだまだ先です。現在、科学は反物質の存在とその性質の研究の理論的実証に取り組んでおり、科学者たちは実験に数十、極端な場合には数百の原子を使っています。彼らの一生の時間は秒の分数で計算され、実験の費用は数千万ドルです。物理学者たちは、反物質の知識が、私たちが宇宙の進化とビッグバンの直後に起こった出来事をよりよく理解するのに役立つと信じています。
反物質とは何ですか？またその性質は何ですか？
反物質は反粒子からなる特別な種類の物質です。それらは通常の陽子や電子と同じスピンと質量を持っていますが、電荷と色電荷、バリオンとレプトンの量子数の符号によってそれらと異なります。簡単に言えば、普通の物質の原子が正に荷電した核と負の電子からなるならば、反物質は反対である。
物質と反物質との相互作用において、消滅は光子または他の粒子の放出と共に起こる。同時に受け取られるエネルギーは巨大です：1グラムの反物質は数キロトンの爆発に十分です。
現代の概念によると、物質と反物質は同じ構造をしています。それを決定する力と電磁気的相互作用は、粒子とその双子の両方にまったく同じように作用するからです。
反物質も重力を生み出すことができると信じられていますが、この事実はまだはっきりと証明されていません。理論的には、重力は物質と反物質に同じように作用するはずですが、これはまだ実験的に決定されていません。現在、彼らはALPHA、AEGISおよびGBARプロジェクトでこの問題に取り組んでいます。
2015年末、RHICコライダーを使用して、科学者たちは反陽子間の相互作用の力を測定することができました。それは陽子の同様の特性に等しいことがわかった。
現在のところ、電荷共役の過程でそれ自体が変化する、いわゆる「真に中性」の粒子を除いて、ほとんどすべての既存の素粒子の「双子」が知られている。これらの粒子は次のとおりです。
- 光子
- ヒッグスボソン。
- 中性パイ中間子。
- この中間子。
- グラビトロン（まだ発見されていない）
反物質はあなたが思うよりずっと近い。反物質の源は、あまりにも強力ではない、普通のバナナです。それらは陽電子を形成するために崩壊する同位体カリウム-40を含む。これは75分に1回程度発生します。この要素は人体の一部でもあるので、私たち一人ひとりは反粒子の発生者と呼ぶことができます。
背景から
初めて、イギリスの科学者アーサー・シュスターは、19世紀の終わりに「別のしるしをもって」物質の存在の考えを認めました。このトピックに関する彼の出版物はかなりあいまいで証拠を含んでいなかった、おそらく科学者の仮説は最近の電子の発見によって促進された。彼は、「反物質」と「反原子」という用語を科学的な使用に導入した最初の人でした。
実験的に、反電子はその公式の発見の前に得られました。これは、前世紀の20年代にソビエト物理学者ドミトリー・スコベルチヌによって行われました。ウィルソンの室内でガンマ線を調べると彼は奇妙な効果を得たが、それを説明することはできなかった。これで、この現象は粒子と反粒子、つまり電子と陽電子の出現によって引き起こされたことがわかりました。
1930年、イギリスの有名な物理学者ポールディラックは、電子の相対論的運動方程式に取り組んで、同じ質量だが反対の電荷を持つ新しい粒子の存在を予測した。当時、科学者たちは陽子という1つの陽子だけを知っていましたが、それは電子より重い何千倍も重かったので、彼らはディラックによって得られたデータを解釈することができませんでした。 2年後、アメリカンアンダーソンは宇宙からの放射線の研究で電子の「双子」を発見しました。彼は陽電子と呼んだ。
前世紀の半ばまでに、物理学者はこの反粒子を研究するための良い時間を過ごし、その準備のいくつかの方法が開発されました。 1950年代に科学者達は反陽子と反中性子を発見し、1965年に反重陽子が得られ、1974年にソビエトの研究者達はヘリウムとトリチウムの反核を合成することに成功した。
60年代と70年代には、科学装置を備えた気球を使って、上層大気の反粒子が捜索されました。このグループは、ノーベル賞受賞者のルイスアルバレスによって率いられました。合計で約4万個の粒子が「捕らえられた」が、反物質とは何の関係もない。 2002年には、アメリカと日本の物理学者が同様の研究を始めました。彼らは23キロメートルの高さに巨大なBESS気球（体積110万m 3）を打ち上げました。しかし、22時間の実験でも、最も単純な反粒子でさえも検出することができませんでした。その後の同様の実験は南極でも行われた。
90年代半ばに、ヨーロッパの科学者達は陽電子と反陽子の2つの粒子からなる反水素原子を得ることに成功した。近年、この元素をはるかに大量に合成することが可能になり、それによってその特性の研究を進めることが可能になった。
2005年に、高感度反物質検出器が国際宇宙ステーション（ISS）に設置されました。
宇宙における反物質
陽電子Paul Diracの発見者は、宇宙には完全に反物質からなる全域があると信じていた。彼はノーベルの講演でこれについて話しました。しかし、これまでのところ科学者はそのようなものを見つけることができませんでした。
もちろん、反粒子は宇宙に存在します。それらは多くの高エネルギー過程のために生まれます：超新星爆発または熱核燃料の燃焼は、ブラックホールまたは中性子星のまわりのプラズマ雲の中で起こります、そして、星間空間での高エネルギー粒子の衝突で生まれます。さらに、私たちの惑星には、少量の反粒子が雨によって常に「流されて」います。いくつかの放射性核種の崩壊はまた陽電子の形成を伴う。しかし、上記のすべては反粒子であり反物質ではありません。これまで、研究者たちは宇宙でアンチヘリウムさえも見つけることができなかった。物質と反物質の衝突における消滅過程を伴う特定のガンマ線の探索の失敗
今日入手可能なデータから判断すると、銀河系防止剤、星形防止剤、または他の大きな反物質オブジェクトはありません。そして、これは非常に奇妙です：ビッグバン理論によると、私たちの宇宙の誕生の瞬間に、同じ量の物質と反物質が現れ、そして最後のものがどこに行ったのかは不明です。現在、この現象には2つの説明があります。反物質は爆発の直後に消えたか、それとも宇宙のいくつかの遠隔地に存在しているということです、そして我々はまだそれをまだ発見していません。そのような非対称性は現代物理学の最も重要な未解決の問題の一つです。
私たちの宇宙の人生の初期の段階では、物質と反物質の量はほぼ一致したという仮説があります。時間の経過とともに、物質と反物質の大部分は消滅の過程で消滅し、今日私たちを取り巻くものはすべて余剰から生まれました。確かに、「余分な」粒子がどこに、そしてなぜ出現したかは完全には明らかではありません。
反物質を得ることとこのプロセスの難しさ
1995年には、科学者達はたった9原子の反水素原子を作ることに成功しました。それらは数十ナノ秒の間存在し、そしてその後は全滅した。 2002年には、粒子の数はすでに数百に達し、それらの寿命は数倍に増えました。
反粒子は、原則として、その通常の「二重」と一緒に生まれます。例えば、陽電子 - 電子対を得るためには、ガンマ量子と原子核の電場との相互作用が必要である。
反物質を得ること - 非常に面倒です。このプロセスは加速器で起こり、反粒子は高真空条件下で特別な貯蔵リングに貯蔵されます。 2010年に、物理学者は初めて38個の反水素原子を特別なトラップに閉じ込め、172ミリ秒間保持しました。これを行うには、科学者たちは3万個の反陽子を-70℃以下の温度に、そして200万個の陽電子を-230℃に冷却しなければならなかった。
翌年、研究者は結果を大幅に改善することができました。反粒子の寿命を全体で1000秒まで延ばすことです。将来的には、反物質に対する反重力効果の有無を調べる予定です。
反物質貯蔵の問題は、反陽子と陽電子が普通の物質の粒子と出会うと即座に消滅するため、物理学者にとって真の頭痛の種です。それらを守るために、科学者たちは大惨事を防ぐことができる賢い装置を発明しなければなりませんでした。帯電した反粒子は、ミニチュアアクセラレータに似た、いわゆるペニングトラップに格納されています。その強力な磁場と電場は陽電子と反陽子が装置の壁に衝突するのを防ぎます。しかしながら、そのような装置は、反水素原子のような中性の対象物に対しては機能しない。この場合、Joffeトラップが開発されました。その中の反原子の保持は磁場のために起こる。
反物質のコストとそのエネルギー効率
反物質の入手と保管が困難であることを考えると、その価格が非常に高いことは驚くにあたらない。 NASAの計算によると、2006年には、1ミリグラムの陽電子に約2500万ドルの費用がかかりました。以前のデータによると、1グラムの反水素は62兆ドルと推定された。ほぼ同じ数値がCERNのヨーロッパの物理学者によって与えられています。
潜在的に反物質は理想的な燃料、超効率的で環境に優しいです。問題は、これまでに人々が作り出したすべての反物質が、少なくとも一杯のコーヒーを沸かすのにはほとんど不十分であるということです。
1グラムの反物質の合成は2500万キロワット時のエネルギーを必要とします、そしてそれはこの物質のどんな実用的な使用も単純に不合理にします。たぶんいつか我々はそれで宇宙船に燃料を補給するであろう、しかしこれのためにあなたはより簡単でより安い受け方と長期貯蔵の方法を思いつく必要がある。
既存の有望なアプリケーション
現在、反物質は陽電子放出断層撮影中に医学で使用されています。この方法では、高解像度で内臓の画像を取得することができます。カリウム40のような放射性同位元素は、グルコースのような有機物質と組み合わされて患者の循環器系に注入されます。そこで陽電子を放出し、それは私たちの体の中の電子と出会うと消滅します。この過程で得られたガンマ線は、調査対象の臓器または組織の画像を形成します。
反物質も癌の可能な治療法として研究されています。
反物質の使用は、もちろん、非常に有望です。それは本当のエネルギー革命をもたらし、人々が星に到達することを可能にします。小説小説のお気に入りのスケートは、いわゆるワープエンジンを搭載した宇宙船です。今日そのようなインスタレーションの数学的モデルがいくつかあり、それらのほとんどは彼らの作品に反物質を使っています。
超軽量の飛行と超空間のないより現実的な提案があります。例えば、反陽子雲の中に重水素とヘリウム3を含むウラン238のカプセルを投げることが提案されている。プロジェクトの開発者たちは、これらの成分の相互作用が熱核反応の開始につながると考えています。その生成物は、磁場によってエンジンノズルに向けられ、船舶に大きな牽引力を与えるでしょう。
1ヶ月の火星への飛行のために、アメリカのエンジニアは反陽子によって引き起こされた核分裂を使うことを提案します。彼らの計算によると、このような旅行に必要なのは140ナノグラムの粒子だけです。
反物質消滅の間に放出されるエネルギーのかなりの量を考えると、この物質は爆弾や他の爆発物を埋めるための優れた候補です。少量の反物質でさえも、核爆弾に匹敵する力を持つ弾薬を作成するのに十分です。しかし、心配するのは時期尚早ですが、この技術は開発のごく初期の段階にあるためです。そのようなプロジェクトが今後数十年のうちに実現されることはありそうもない。
一方で、反物質は、まず第一に、理論科学の研究の主題であり、それは私たちの世界の構造について多くを語ることができます。この状況は、産業規模でそれを確実に達成することを学ぶまでは変わりそうにありません。その時になって初めて、この物質の実際の使用について話をすることができます。
