反物質の合成。まさにその逆

反物質、原子核が負の電荷を持ち、その周囲を陽電子、つまり正の電荷を持つ電子で囲まれた原子からなる物質。私たちの周囲の世界が構築されている通常の物質では、プラスに帯電した原子核がマイナスに帯電した電子に囲まれています。反物質と区別するために、通常の物質はコインマター（ギリシャ語から）と呼ばれることもあります。 コイノス- 普通）。しかし、この用語はロシア文学では実際には使用されていません。反物質も物質であり、その一種であるため、「反物質」という用語は完全に正しいわけではないことを強調しておく必要があります。反物質は、通常の物質と同じ慣性特性を持ち、同じ重力引力を生成します。

物質と反物質について話すときは、素粒子（亜原子）から始めるのが論理的です。各素粒子には反粒子があります。両方とも、反対の電荷を持っていることを除いて、ほぼ同じ特性を持っています。 (粒子が中性であれば、反粒子も中性ですが、他の特性が異なる場合があります。場合によっては、粒子と反粒子は互いに同一です。) したがって、負に帯電した粒子である電子は、陽電子であり、正の電荷をもつ陽子の反粒子は負の電荷をもつ反陽子です。陽電子は 1932 年に発見され、反陽子は 1955 年に発見されました。これらは最初に発見された反粒子でした。反粒子の存在は、1928 年に英国の物理学者 P. ディラックによって量子力学に基づいて予測されました。

電子と陽電子が衝突すると、それらは消滅します。両方の粒子が消滅し、衝突点から 2 本のガンマ線が放出されます。衝突する粒子が低速で移動する場合、各ガンマ量子のエネルギーは 0.51 MeV になります。このエネルギーは電子の「静止エネルギー」、つまり静止質量であり、エネルギー単位で表されます。衝突する粒子が高速で移動すると、その運動エネルギーによりガンマ線のエネルギーが大きくなります。消滅は陽子が反陽子と衝突するときにも起こりますが、この場合のプロセスははるかに複雑です。多くの短命粒子が相互作用の中間生成物として生まれます。ただし、数マイクロ秒後、ニュートリノ、ガンマ線、および少数の電子陽電子対が変換の最終生成物として残ります。これらのペアは最終的に消滅し、追加のガンマ線が発生する可能性があります。消滅は、反中性子が中性子または陽子と衝突した場合にも発生します。

反粒子が存在するので、反粒子から反核が形成できるかどうかという疑問が生じます。通常の物質の原子核は陽子と中性子で構成されています。最も単純な原子核は、通常の水素 1 H の同位体の原子核です。それは単一の陽子を表します。重水素 2H 原子核は 1 つの陽子と 1 つの中性子で構成されます。それは重陽子と呼ばれます。単純な原子核のもう 1 つの例は、2 つの陽子と 1 つの中性子からなる 3 He 原子核です。反陽子と反中性子からなる反重陽子は、1966 年に実験室で入手されました。 2 つの反陽子と 1 つの反中性子からなる反 3He 原子核は、1970 年に初めて取得されました。

現代の素粒子物理学によれば、適切な技術的手段を使えば、すべての通常の原子核の反原子核を得ることが可能です。これらの反原子核が適切な数の陽電子に囲まれている場合、それらは反原子を形成します。反原子は通常の原子とほぼ同じ特性を持ちます。それらは分子を形成し、そこから有機物質を含む固体、液体、気体が形成される可能性があります。たとえば、2 つの反陽子と 1 つの反酸素原子核は、8 つの陽電子とともに、通常の水 H 2 O と同様の反水の分子を形成する可能性があります。その各分子は、水素原子核の陽子 2 つ、酸素原子核 1 つ、電子 8 つから構成されます。現代の素粒子理論は、反水が 0°C で凍結し、100°C で沸騰するなど、通常の水と同様に動作することを予測できます。このような推論を続けると、反物質から構築された反世界は、私たちの周囲の通常の世界と非常によく似ているという結論に達することができます。この結論は、宇宙には同量の通常物質と反物質が含まれているという仮定に基づいた、対称宇宙の理論の出発点となります。私たちはその普通の物質で構成されている部分に住んでいます。

反対の種類の 2 つの同一の物質が接触すると、電子は陽電子で、原子核は反原子核で消滅します。この場合、ガンマ量子が現れ、その出現によって何が起こっているかを判断できます。定義上、地球は普通の物質で構成されているため、大型加速器や宇宙線で生成される微量の反粒子を除いて、地球内には感知できるほどの量の反物質は存在しません。同じことが太陽系全体にも当てはまります。

観測によると、私たちの銀河系内では限られた量のガンマ線しか生成されません。このことから、多くの研究者は、そこには目立った量の反物質は存在しないと結論付けています。しかし、この結論は議論の余地のないものではありません。たとえば、近くにある特定の星が物質で構成されているか反物質で構成されているかを判断する方法は、現時点ではありません。反物質星は、通常の星とまったく同じスペクトルを放射します。さらに、星の周囲の空間を満たし、星自体の物質と同一である希薄な物質が、反対の種類の物質で満たされた領域、つまり非常に薄い高温の「ライデンフロスト層」から分離されている可能性は十分にあります。したがって、各細胞が物質または反物質を含む、星間および銀河間空間の「細胞」構造について話すことができます。この仮説は、磁気圏と太陽圏 (惑星間空間) が細胞構造を持っていることを示す最新の研究によって裏付けられています。磁化が異なり、場合によっては温度や密度も異なるセルは、非常に薄い電流シェルによって分離されています。これは、これらの観察は私たちの銀河内であっても反物質の存在と矛盾しないという逆説的な結論につながります。

以前は反物質の存在を支持する説得力のある議論がなかったとしても、現在では X 線とガンマ線天文学の成功により状況が変わりました。巨大で、しばしば非常に無秩序なエネルギーの放出に関連する現象が観察されています。おそらく、そのようなエネルギー放出の源は消滅でした。

スウェーデンの物理学者 O. クラインは、物質と反物質の対称性の仮説に基づいて宇宙論を展開し、消滅プロセスが宇宙の進化と銀河の構造の形成に決定的な役割を果たしているという結論に達しました。

主要な代替理論である「ビッグバン」理論が観測データと大きく矛盾していることがますます明らかになり、近い将来には「対称宇宙論」が宇宙論的問題を解決する上で中心的な位置を占めることになるだろう。

反物質とは、反粒子のみからなる物質のことです。 自然界では、すべての素粒子には反粒子があります。電子の場合は陽電子となり、正に荷電した陽子の場合は反陽子になります。普通の物質の原子 - それ以外の場合はこう呼ばれます コイン物質- 正に帯電した原子核で構成され、その周りを電子が移動します。そして、マイナスに帯電した反物質原子の核は、反電子に囲まれています。

物質の構造を決定する力は、粒子と反粒子の両方で同じです。簡単に言えば、粒子は電荷の符号が異なるだけです。「反物質」という名前が正確ではないのが特徴です。それは本質的に、同じ特性を持ち、魅力を生み出すことができる一種の物質にすぎません。

消滅

実際、これは陽電子と電子の衝突過程です。その結果、膨大なエネルギーを放出して両粒子の相互破壊（消滅）が起こります。 1 グラムの反物質の消滅は、10 キロトンの TNT 装薬の爆発に相当します。

合成

1995 年に、最初の 9 個の反水素原子が合成されたと発表されました。彼らは40ナノ秒間生きて、エネルギーを放出して死にました。そしてすでに 2002 年には、得られた原子の数は数百に達していました。しかし、結果として生じるすべての反粒子はナノ秒しか存続できません。ハドロン衝突型加速器の打ち上げで状況は変わりました。ハドロン衝突型加速器は 38 個の反水素原子を合成し、それらを 1 秒間保持することに成功しました。この期間中に、反物質の構造についての研究を行うことが可能になりました。彼らは特別な磁気トラップを作成した後、粒子を保持する方法を学びました。望ましい効果を達成するために、非常に低い温度が生成されます。確かに、そのような罠は非常に面倒で複雑で、費用がかかるものです。

S.スネゴフの三部作「神のような人々」では、銀河間飛行に殲滅プロセスが使用されています。小説の主人公たちはそれを使用して、星や惑星を塵に変えます。しかし 現代では、反物質を入手することは、人類に食料を供給することよりもはるかに困難で高価です。

反物質の価格はいくらですか?

1ミリグラムの陽電子には250億ドルの費用がかかるはずだ。 そして、1グラムの反水素のために62.5兆ドルを支払わなければなりません。

100分の1グラムでも買えるほど寛大な人はまだ現れていない。粒子と反粒子の衝突に関する実験研究のための材料を入手するには、10億分の1グラムに対して数億スイスフランを支払わなければなりませんでした。これまでのところ、反物質よりも高価な物質は自然界に存在しません。

しかし、反物質の重さの問題に関しては、すべてが非常に単純です。通常の物質とは担当が異なるだけなので、他の特性はすべて同じです。反物質 1 グラムの重さはちょうど 1 グラムであることがわかりました。

反物質の世界

もし存在したことを真実として受け入れるなら、このプロセスの結果として、物質と反物質の両方が同量発生したはずです。では、なぜ私たちの近くにある反物質でできた物体を観察してみませんか? 答えは非常に簡単です。2 種類の物質は同時に共存することはできません。彼らは間違いなくお互いを破壊するでしょう。 反物質でできた銀河や宇宙も存在する可能性がある、それらのいくつかも見られます。しかし、通常の銀河から発せられるのと同じ放射線、同じ光がそれらから発せられます。したがって、反世界が存在するのか、それともこれが美しいおとぎ話なのか、まだ正確に言うことはできません。

それは危険ですか？

人類は多くの有益な発見を破壊の手段に変えてきました。この意味での反物質も例外ではありません。 殲滅の原則に基づいた兵器よりも強力な兵器を想像することはまだ不可能です。おそらく、反物質を抽出して保存することがまだ不可能なほど深刻ではないでしょうか? それは人類最後の日に聞く運命の鐘となるのだろうか？

最近、CERN の ALICE 共同研究のメンバーは、記録的な精度で反物質核の質量を測定し、反物質核内で反陽子と反中性子が結合するエネルギーも推定しました。これまでのところ、物質と反物質のこれらのパラメータの間に大きな違いは見つかっていませんが、これは重要なことではありません。重要なのは、ここ数年で、反粒子だけでなく、反核、さらには反原子さえも測定や観察に利用できるようになったということです。これは、反物質とは何か、その研究が現代物理学においてどのような位置を占めるのかを解明する時期が来たことを意味します。

反物質に関する最初の質問をいくつか推測してみましょう。

反物質を使って超強力な爆弾が作れるって本当ですか？映画『天使と悪魔』で描かれているように、反物質が実際にCERNに蓄積されており、それが非常に危険である可能性はあるのでしょうか? 反物質が宇宙旅行に非常に効率的な燃料になるというのは本当ですか? アイザック・アシモフが作品の中でロボットに与えた陽電子脳という考えに真実はあるのでしょうか?...

ほとんどの人にとって、反物質は、非常に（爆発的に）危険なもの、疑わしいもの、素晴らしい約束と巨大なリスクで想像力を刺激するものと関連付けられているのは周知の事実であり、したがってそのような疑問が生じます。認めましょう。物理法則はこれらすべてを直接禁止しているわけではありません。しかし、これらのアイデアの実装は、現代のテクノロジーや今後数十年のテクノロジーからはあまりにも現実からかけ離れているため、実際的な答えは簡単です。「いいえ、現代世界ではこれは真実ではありません」です。これらのトピックに関する会話は単なる空想であり、実際の科学的および技術的成果ではなく、現代の能力の限界をはるかに超えた推定に基づいています。これらのトピックについて真剣な会話をしたい場合は、2100 年に近づいてください。ここでは、反物質に関する実際の科学研究について話しましょう。

反物質とは何ですか?

私たちの世界は、電子、陽子、中性子などの粒子の種類ごとに、 - 反粒子（陽電子、反陽子、反中性子）が存在します。それらは同じ質量を持ち、不安定な場合は同じ半減期を持ちますが、相互作用を特徴付ける電荷やその他の数値は反対です。陽電子は電子と同じ質量を持ちますが、正の電荷のみを持ちます。反陽子はマイナスの電荷を持っています。反中性子は中性子と同様に電気的に中性ですが、逆のバリオン数を持ち、反クォークで構成されています。反核は反陽子と反中性子から組み立てられます。陽電子を加えることで反原子が生まれ、それを蓄積することで反物質が得られます。これはすべて反物質です。

そしてここには、話す価値のある興味深い微妙な点がいくつかあります。まず第一に、反粒子の存在自体が理論物理学の大きな勝利です。この自明ではない、そして一部の人にとっては衝撃的でさえあるアイデアは、ポール・ディラックによって理論的に導き出されたもので、当初は敵意をもって受け取られました。さらに、陽電子が発見された後でも、反陽子の存在を疑う人は依然として多かった。まず彼らは、ディラックは電子を説明するために独自の理論を考え出したが、それが陽子に有効であるという事実はないと述べた。たとえば、陽子の磁気モーメントはディラック理論の予測と数倍異なります。第二に、彼らは宇宙線中の反陽子の痕跡を長期間探しましたが、何も見つかりませんでした。第三に、彼らは、文字通り私たちの言葉を繰り返して、反陽子が存在するなら、反原子、反星、反銀河も存在するはずであり、壮大な宇宙爆発でそれらに間違いなく気づくだろうと主張しました。これは私たちには見えないので、反物質は存在しないと考えられます。したがって、1955 年に新しく打ち上げられたベバトロン加速器での反陽子の実験的発見は、1959 年のノーベル物理学賞を受賞するかなり重要な結果でした。 1956 年に同じ加速器で反中性子が発見されました。これらの探索、疑念、成果の物語は、この報告書やフランク・クローズの近著『Antimatter』など、数多くの歴史的エッセイで見つけることができます。

ただし、純粋に理論的な記述における健全な疑いは常に有益であるということは別に言わなければなりません。たとえば、反粒子は粒子と同じ質量を持つという記述も理論的な結果であり、非常に重要な CPT 定理から導かれます。はい、実験的にテストされた現代のミクロ世界の物理学は、この声明に基づいて構築されています。しかし、それでも平等であることに変わりはありません。もしかしたら、この方法で理論の適用可能性の限界が見つかるかもしれません。

もう 1 つの特徴は、ミクロ世界の力すべてが粒子と反粒子に等しく関係しているわけではないということです。電磁相互作用と強い相互作用の場合、それらの間に違いはありませんが、弱い相互作用の場合は違いがあります。このため、粒子と反粒子の相互作用の微妙な詳細がいくつか異なります。たとえば、粒子 A が粒子 B のセットに崩壊し、抗 A が抗 B のセットに崩壊する確率が異なります (詳細については、違いについては、Pavel Pakhov のコレクションを参照してください)。この特徴は、弱い相互作用が私たちの世界の CP 対称性を破るために発生します。しかし、なぜこれが起こるのかは素粒子の謎の一つであり、既知の限界を超える必要があります。

ここにもう 1 つの微妙な点があります。一部の粒子は、反粒子と粒子が互いにまったく異なる特性をほとんど持たないためです。このような粒子は真中性と呼ばれます。これは、同じタイプのクォークと反クォークからなる光子、ヒッグス粒子、中性中間子です。しかし、ニュートリノの状況は依然として不明瞭です。もしかしたら、ニュートリノは本当に中性 (マジョラナ) であるのか、そうでないのかも知れません。これは、ニュートリノの質量と相互作用を説明する理論にとって非常に重要です。この質問に対する答えは、私たちの世界の構造を理解するのに役立つため、本当に大きな前進となるでしょう。この実験では、これについてまだ明確なことが何も言えていません。しかし、ニュートリノ研究の実験プログラムは非常に強力であり、非常に多くの実験が行われているため、物理学者は徐々に解決策に近づいています。

この反物質はどこにあるのでしょうか？

反粒子がその粒子に遭遇すると、反粒子は消滅します。両方の粒子が消滅し、一連の光子またはより軽い粒子に変わります。すべての残りのエネルギーは、この微小爆発のエネルギーに変わります。これは質量から熱エネルギーへの最も効率的な変換であり、核爆発よりも数百倍効率的です。しかし、私たちの周りでは壮大な自然爆発は見られません。反物質は自然界にはそれほど大量には存在しません。しかし、個々の反粒子はさまざまな自然過程で誕生する可能性があります。

最も簡単な方法は陽電子を生成することです。最も単純な選択肢は放射能、つまり正のベータ放射能による一部の原子核の崩壊です。たとえば、実験では、半減期が 2 年半の同位体ナトリウム 22 が陽電子源としてよく使用されます。もう 1 つの、かなり予想外の天然源では、陽電子の消滅によるガンマ線の閃光が時々検出されます。これは、陽電子が何らかの形でそこで生まれたことを意味します。

反陽子やその他の反粒子を生成するのはさらに困難です。これには十分な放射性崩壊エネルギーがありません。自然界では、それらは高エネルギー宇宙線の影響下で生まれます。宇宙陽子は、大気の上層で何らかの分子と衝突し、粒子と反粒子の流れを生成します。しかし、これは地上で起こり、反陽子が地上に到達することはほとんどなく（40年代に宇宙線中の反陽子を探していた人々には知られていませんでした）、この反陽子源を実験室に持ち込むことはできません。

すべての物理学実験では、反陽子は「力任せ」によって生成されます。つまり、反陽子は高エネルギー陽子のビームを受け取り、それをターゲットに向け、この衝突で大量に生成される「ハドロンの破片」を選別します。分類された反陽子はビームの形で出力され、陽子と衝突するために高エネルギーに加速されるか (これが、たとえばアメリカのテバトロン衝突型加速器の仕組みです)、あるいは逆に減速されて、より微妙な測定に使用されます。

反物質研究の長い歴史を誇る CERN には、まさにこの任務を遂行する特別な「加速器」AD、「反陽子モデレータ」が存在します。反陽子のビームを受け取り、それらを冷却し（つまり、速度を低下させ）、その後、遅い反陽子の流れをいくつかの特別な実験に分配します。ちなみに、AD の状態をリアルタイムで確認したい場合は、Cernov オンラインモニターを使用するとそれが可能になります。

反原子を合成することは、最も単純な反水素原子であっても、すでに非常に困難です。それらは自然界ではまったく発生しません - 適切な条件がありません。実験室においてさえ、反陽子が陽電子と結合するまでには、多くの技術的困難を克服しなければなりません。問題は、線源から放出される反陽子と陽電子がまだ熱すぎることです。それらは反原子を形成するのではなく、単に互いに衝突して飛び散ります。物理学者は依然としてこれらの困難を克服していますが、（ASACUSA Cern の実験の 1 つで行われたように）かなり狡猾な方法を使用しています。

反核について何が知られていますか?

人類の反原子的業績はすべて反水素にのみ関係します。他の元素の反原子はまだ実験室で合成されておらず、自然界で観察されていません。理由は簡単です。反原子核は反陽子よりも生成するのがさらに難しいからです。

反原子核を生成するために私たちが知っている唯一の方法は、高エネルギーの重い原子核を衝突させ、そこで何が起こるかを観察することです。衝突エネルギーが大きいと、反陽子や反中性子を含む粒子が数千個発生し、四方八方に飛び散ります。誤って一方向に放出された反陽子と反中性子は、互いに結合して反原子核を形成することがあります。

ALICE 検出器は、エネルギー放出と磁場のねじれの方向に基づいて、さまざまな核と反核を区別できます。

画像: 欧州原子核研究機構(CERN)

この方法は単純ですが、それほど効率的ではありません。この方法で原子核が合成される確率は、核子の数が増加するにつれて急激に低下します。最も軽い反原子核である反重陽子は、ちょうど半世紀前に初めて観察されました。アンチヘリウム 3 は 1971 年に観察されました。アンチトリトンとアンチヘリウム 4 も知られていますが、後者はごく最近、2011 年に発見されました。より重い反核はまだ観察されていません。

異なる粒子ペアの核子間相互作用 (散乱長 f0 と有効半径 d0) を記述する 2 つのパラメーター。赤いアスタリスクは、STAR コラボレーションによって得られた一対の反陽子の結果です。

残念ながら、この方法では反原子を作ることはできません。反核は稀に発生するだけでなく、エネルギーが強すぎて四方八方に飛び散ってしまいます。衝突型加速器でそれらを捕らえ、特別なチャンネルを通して冷却させようとするのは非現実的です。

ただし、反核子間に作用する反核力に関する興味深い情報を得るには、飛行中の反核子を注意深く追跡するだけで十分な場合もあります。最も簡単なことは、反核の質量を注意深く測定し、それを反陽子と反中性子の質量の合計と比較し、質量欠陥、つまり質量欠陥を計算することです。核結合エネルギー。最近は大型ハドロン衝突型加速器で運用されています。反重陽子と反ヘリウム 3 の結合エネルギーは、通常の原子核と誤差の範囲内で一致しました。

もう一つのより微妙な効果は、アメリカの重イオン衝突型加速器 RHIC での STAR 実験によって研究されました。彼は、生成された反陽子の角度分布を測定し、2 つの反陽子が非常に近い方向に放出されたときにそれがどのように変化するかを発見しました。反陽子間の相関により、それらの間に作用する「反核」力の特性 (散乱長と有効相互作用半径) を測定することが初めて可能になりました。それらは陽子の相互作用について知られているものと一致しました。

宇宙に反物質は存在するのか？

ポール・ディラックが自身の理論から陽電子の存在を推測したとき、彼は宇宙のどこかに本物の反世界が存在する可能性があると完全に想定していました。現在、宇宙の目に見える部分には反物質でできた星、惑星、銀河は存在しないことがわかっています。重要なのは、殲滅爆発が目に見えないということでさえありません。進化し続ける宇宙の中で、どのようにしてそれらが形成され、今日まで生き残ることができたのか、まったく想像もできません。

しかし、「なぜこれが起こったのか」という疑問は、現代物理学のもう一つの大きな謎です。科学用語では、それはバリオ発生の問題と呼ばれます。世界の宇宙像によれば、初期の宇宙には同数の粒子と反粒子が存在していました。そして、CP対称性とバリオン数の破れにより、動的に発展する宇宙には、反物質を上回る少量の、10億分の1レベルの過剰な物質が出現したはずである。宇宙が冷えるにつれて、すべての反粒子は粒子とアニールし、この過剰な物質だけが生き残り、私たちが観察している宇宙が誕生しました。彼のおかげで、少なくとも興味深いものがそこに残っており、私たちが存在しているのは彼のおかげです。この非対称性が正確にどのようにして生じたのかは不明です。諸説ありますがどれが真実なのかは不明です。ただ明らかなのは、これは間違いなくある種の新しい物理学、つまり標準模型を超え、実験的に検証された範囲を超えた理論であるに違いないということだけです。

高エネルギー宇宙線に含まれる反粒子がどこから来るかについては、3 つの選択肢があります。 1 - 反粒子は、たとえばパルサーなどの「宇宙加速器」内で単純に発生して加速されます。 2 - 通常の宇宙線と星間物質の原子の衝突中に誕生する可能性があります。 3 - 重い暗黒物質粒子の崩壊中に発生する可能性があります。

反物質でできた惑星や星はありませんが、反物質は依然として宇宙に存在します。さまざまなエネルギーの陽電子と反陽子の束は、PAMELA、Fermi、AMS-02 などの衛星宇宙線観測所によって記録されます。陽電子や反陽子が宇宙からやってくるということは、宇宙のどこかで生まれたということです。それらを生成する高エネルギープロセスは原理的に知られています。これらは、中性子星の高度に磁化された近傍、さまざまな爆発、星間物質の衝撃波面での宇宙線の加速などです。問題は、観測された宇宙反粒子の流れの特性をすべて説明できるかどうかです。もしそうでないことが判明した場合、これは、それらの一部が暗黒物質粒子の崩壊または消滅から生じたという事実を支持する証拠となる。

ここにも謎があります。 2008 年、PAMELA 天文台は、理論モデルの予測と比較して疑わしいほど多数の高エネルギー陽電子を発見しました。これらの結果は、最近、AMS-02 設備によって確認されました。AMS-02 設備は、国際宇宙ステーションのモジュールの 1 つであり、一般に、宇宙に打ち上げられた素粒子の最大の検出器です (そして、どこで組み立てられたか、正確には CERN にあります)。この過剰な陽電子は理論家の心を興奮させます。結局のところ、その原因は「退屈な」天体物理学ではなく、電子と陽電子に崩壊または消滅する重い暗黒物質粒子かもしれません。まだ明確な点はありませんが、AMS-02 施設と多くの重要な物理学者は、この現象を非常に注意深く研究しています。

さまざまなエネルギーの宇宙線における反陽子と陽子の比率。点は実験データ、色とりどりの曲線はさまざまな誤差を伴う天体物理学的予想です。

画像: コーネル大学図書館

反陽子の状況も不明である。今年 4 月、AMS-02 は特別な科学会議で新しい研究サイクルの暫定結果を発表しました。この報告書の主なハイライトは、AMS-02では高エネルギー反陽子が多すぎるという主張であり、これは暗黒物質粒子の崩壊のヒントになる可能性もある。しかし、他の物理学者はそのような明るい結論に同意しません。現在、AMS-02 からの反陽子データは、多少の無理はあるものの、従来の天体物理学的情報源によって説明できると考えられています。いずれにしても、誰もが AMS-02 からの新しい陽電子と反陽子のデータを心待ちにしています。

AMS-02はすでに数百万個の陽電子と25万個の反陽子を検出している。しかし、このインスタレーションの作成者には、少なくとも1つの反核を捕捉するという明るい夢があります。これは本当にセンセーショナルになるでしょう。反核物質が宇宙のどこかで生まれ、私たちに飛んでくるなんて、まったく信じられないことです。これまでのところ、そのような事例は発見されていないが、データ収集は続けられており、自然が私たちにどんな驚きをもたらすのかは誰にも分からない。

反物質 - 反重力? 彼女はどうやって重力を感じているのでしょうか？

実験的に検証された物理学のみに依存し、まだ確認されていない風変わりな理論には立ち入らないのであれば、重力は物質とまったく同じように反物質に作用するはずです。反物質には反重力は期待されません。既知の限界を超えてもう少し詳しく見てみると、純粋に理論的に考えられる選択肢は、通常の万有引力に加えて、物質と反物質に対して異なる作用を及ぼす何かが追加されている場合です。この可能性がどれほど幻想的であるように見えても、それは実験的に検証される必要があり、そのためには反物質が地球の重力をどのように感じるかをテストする実験を実行する必要があります。

長い間、これを行うことは実際には不可能でした。そのためには、個々の反物質原子を作成し、それらをトラップし、それらを使って実験を行う必要があるという単純な理由からです。これでその方法を学んだので、待ちに待ったテストが目前に迫っています。

結果の主な提供者は、反物質研究のための広範なプログラムを持つ同じ CERN です。これらの実験のいくつかは、反物質の重力が大丈夫であることを間接的にすでに証明しています。たとえば、彼は反陽子の（不活性）質量が陽子の質量と非常に高い精度で一致することを発見しました。もし重力が反陽子に対して異なる働きをしていたとしたら、物理学者はその違いに気づいたでしょう。結局のところ、比較は同じ設備、同じ条件下で行われたのですから。この実験の結果、反陽子に対する重力の影響は、陽子に対する影響と 100 万分の 1 以上の精度で一致しました。

ただし、この測定は間接的なものです。より説得力を持たせるために、直接実験を行ってみたいと思います。いくつかの反物質原子を取り出し、それらを落とし、重力場にどのように落ちるかを見てみましょう。このような実験はCERNでも実施または準備されている。最初の試みはあまり印象的ではありませんでした。 2013年のALPHA実験では、その時すでにトラップ内に反水素の雲を保持することが分かっていたが、トラップを止めた場合に反原子がどこに落ちるかを判定しようとした。残念ながら、実験の感度が低かったため、明確な答えを得ることができませんでした。時間が経過しすぎたため、反原子がトラップ内を行き来し、消滅の爆発があちこちで発生しました。

他の 2 つの Cern 実験、GBAR と AEGIS は状況を根本的に改善することを約束しています。これらの実験は両方とも、超低温の反水素の雲が重力場にどのように落ちるかをさまざまな方法でテストします。反物質の重力加速度の測定で期待される精度は約 1% です。両方の設備は現在組み立てとデバッグの段階にあり、主な研究は 2017 年に開始され、AD 反陽子減速材が新しい ELENA 蓄積リングによって補完される予定です。

固体物質における陽電子の挙動の変化形。

画像：nature.com

陽電子が物質に入るとどうなるでしょうか?

石英表面上でのポジトロニウム分子の形成。

画像: Clifford M. Surko / 原子物理学: 反物質スープの香り

ここまで読んだ方は、反物質の粒子が通常の物質に入るとすぐに消滅が起こり、粒子と反粒子が消えて放射線に変わることをすでによく知っています。しかし、これはどのくらいの速さで起こるのでしょうか? 真空から陽電子が飛来して固体に入ったとしましょう。最初の原子と接触すると消滅するのでしょうか? 全く必要ありません！電子と陽電子の消滅は瞬間的なプロセスではありません。原子スケールでは長い時間がかかります。したがって、陽電子は、重要な出来事に満ちた物質の中でなんとか明るい生活を送ることができます。

まず、陽電子はオーファン電子を拾い上げ、結合状態であるポジトロニウム (Ps) を形成することができます。適切なスピンの向きが与えられれば、ポジトロニウムは消滅するまでの数十ナノ秒間生存することができます。室温でのポジトロニウムの熱速度は約 25 km/秒であるため、固体物質中にあるため、この間に原子と何百万回も衝突する時間があります。

第二に、物質中を漂っているポジトロニウムは表面に現れてそこに付着する可能性があります。これは原子吸着のポジトロニック (または正確にはポジトロニウム) の類似物です。室温では、一箇所に留まらず、表面に沿って活発に移動します。そして、これが外表面ではなく、ナノメートルサイズの細孔であれば、ポジトロニウムはその中に長時間閉じ込められることになる。

さらに。このような実験の標準的な材料である多孔質石英では、細孔は孤立していませんが、ナノチャネルによって共通のネットワークに接続されています。表面に沿って這う温かいポジトロニウムは、何百もの毛穴を調べる時間があります。そして、そのような実験では大量のポジトロニウムが形成され、それらのほとんどすべてが細孔に這い出すため、遅かれ早かれそれらは互いにぶつかり、相互作用して、実際の分子、分子ポジトロニウム、Ps 2を形成することがあります。次に、ポジトロニウムガスがどのように動作するか、ポジトロニウムがどのような励起状態を持っているかなどを調べることができます。そして、これらが純粋に理論的な考察であるとは考えないでください。これらの効果はすべて、すでにテストされ、実験的に研究されています。

反物質には実用的な応用があるのでしょうか?

もちろん。一般に、どんな物理的プロセスでも、それが私たちの世界に新たな側面をもたらし、追加のコストを必要としないのであれば、確実に実用化されるでしょう。さらに、この現象の科学的側面を最初に発見して研究していなかったら、私たち自身も想像できなかったであろうそのような応用。

反粒子の最もよく知られた用途は、PET (陽電子放射断層撮影法) です。一般に、原子核物理学には医療への応用において素晴らしい実績があり、反粒子もここで活躍しています。 PETでは、寿命が短く（数分から数時間）、正のベータ崩壊によって崩壊する不安定な同位体を含む少量の薬剤が患者の体内に注射されます。薬物は目的の組織に蓄積し、原子核が崩壊して陽電子を放出します。陽電子は近くで消滅し、特定のエネルギーを持つ 2 つのガンマ量子を生成します。探知機はそれらを記録し、その到着方向と時間を決定し、崩壊が発生した場所を復元します。これにより、最小限の放射線量で、高い空間分解能で物質の分布の三次元地図を構築することが可能になります。

陽電子は、たとえば物質の空隙率を測定するなど、材料科学でも使用できます。物質が連続している場合、物質の十分な深さに閉じ込められた陽電子は非常に早く消滅し、ガンマ線を放出します。物質内部にナノ細孔があると、ポジトロニウムが細孔の表面に付着するため、消滅が遅れる。この遅延を測定することにより、非接触かつ非破壊的な方法を使用して物質のナノ多孔性の程度を決定することが可能となる。この技術は、蒸気が表面に堆積したときに氷の最も薄い層にナノ細孔がどのように現れ、閉じるのかに関する最近の研究によって説明されています。同様のアプローチは、半導体結晶の空孔や転位などの構造欠陥を研究する場合にも機能し、材料の構造疲労を測定できます。

反陽子には医療用途もあります。現在、同じCERNで、生細胞に対する反陽子線の影響を研究するACE実験が実施されている。その目標は、がん治療に反陽子を使用する可能性を研究することです。

イオンビームとX線が物質を通過するときに放出されるエネルギー。

画像: ヨハネス・グトレバー/CERN

この考えは、読者を習慣から怖がらせるかもしれません。反陽子線が生きている人間に当たるなんて、どうしてあり得ますか?! はい、深部の腫瘍に X 線を照射するよりもはるかに安全です。特別に選択されたエネルギーの反陽子線は、外科医の手にかかれば、体内深部の腫瘍を焼き尽くし、周囲の組織への影響を最小限に抑えることができる効果的なツールとなります。ビームの下に落ちたすべてのものを焼き尽くすX線とは異なり、物質を通過する途中の重い荷電粒子は、停止する前に最後の数センチメートルでエネルギーの大部分を放出します。粒子のエネルギーを調整することで、粒子が停止する深さを変えることができます。放射線の主な影響を受けるのは、数ミリメートルの大きさのこの領域です。

このタイプの陽子線放射線療法は、世界中の設備の整った多くの診療所で長年使用されてきました。最近、一部の医療機関は、陽子線ではなく炭素イオンのビームを使用するイオン療法に切り替えました。彼らにとって、エネルギー放出プロファイルはさらに対照的であり、これは「治療効果と副作用」のペアの有効性が増加することを意味します。しかし、この目的のために反陽子を試すことが長い間提案されてきました。結局のところ、それらが物質に入ると、運動エネルギーを放棄するだけでなく、停止後に消滅するため、エネルギー放出が数倍増加します。この余分なエネルギーがどこに蓄積されるかは複雑な問題であり、臨床試験を開始する前に慎重に研究する必要があります。

これはまさに ACE 実験が行うことです。その中で、研究者は細菌培養物が入ったキュベットに反陽子ビームを通し、場所、ビームパラメータ、環境の物理的特性の関数として反陽子ビームの生存を測定します。この系統的でおそらく退屈な技術データの収集は、あらゆる新しいテクノロジーの重要な初期段階です。

イーゴリ・イワノフ

知識の生態学: 反物質は長い間 SF の主題でした。本および映画『天使と悪魔』では、ラングドン教授が反物質爆弾からバチカンを救おうとします。スタートレックの宇宙船エンタープライズは、以下に基づいたエンジンを使用しています。

反物質は長い間 SF の主題でした。本および映画『天使と悪魔』では、ラングドン教授が反物質爆弾からバチカンを救おうとします。スタートレックのスターシップエンタープライズは、消滅する反物質の推進力を利用して、光速よりも速く移動します。しかし、反物質も私たちの現実の対象です。反物質粒子は、反対の電荷とスピンを運ぶことを除いて、実質的にその物質パートナーと同じです。反物質が物質と出会うと、それらは即座に消滅してエネルギーになりますが、これはもはやフィクションではありません。

反物質爆弾と同じ燃料を動力とする船はまだ実用的な可能性はありませんが、反物質については、あなたを驚かせたり、すでに知っていたことの記憶を新たにするような事実がたくさんあります。

1. ビッグバンの後、反物質は宇宙のすべての物質を破壊するはずだった

この理論によると、ビッグバンでは物質と反物質が同量生成されました。それらが出会うと、相互破壊、消滅が起こり、純粋なエネルギーだけが残ります。これに基づいて、私たちは存在すべきではありません。

しかし、私たちは存在します。そして物理学者が知っている限り、これは物質と反物質のペアが 10 億個あるごとに、物質の粒子が 1 個余分に存在するためです。物理学者はこの非対称性を説明しようと全力を尽くしています。

2. 反物質はあなたが思っているよりも身近にあります

少量の反物質が、宇宙からのエネルギー粒子である宇宙線の形で地球に絶えず降り注いでいます。これらの反物質粒子は、1 平方メートルあたり 1 個から 100 個以上のレベルで大気中に到達します。科学者たちは、雷雨の際に反物質が生成されるという証拠も持っています。

私たちに近い反物質の発生源は他にもあります。たとえば、バナナは、約 75 分に 1 回、電子に相当する反物質である陽電子を 1 つ放出することによって反物質を生成します。これは、バナナには天然に存在するカリウムの同位体であるカリウム-40 が少量含まれているためです。カリウム 40 の崩壊により陽電子が生成されることがあります。

私たちの体にはカリウム 40 も含まれており、陽電子も放出していることになります。反物質は物質と接触すると即座に消滅するため、これらの反物質粒子はそれほど長くは持続しません。

3. 人類は反物質をごくわずかしか作り出すことができなかった

反物質と物質の消滅は、膨大な量のエネルギーを放出する可能性があります。反物質 1 グラムで核爆弾ほどの爆発を引き起こす可能性があります。しかし、人類は反物質をあまり生成していないので、何も恐れる必要はありません。

フェルミ研究所のテバトロン粒子加速器で生成される反陽子はすべて、かろうじて 15 ナノグラム程度です。 CERNはこれまでに約1ナノグラムしか生成していません。ドイツの DESY では、陽電子は 2 ナノグラム以下です。

もし人間が作った反物質がすべて瞬時に消滅したとしても、そのエネルギーは一杯のお茶を沸かすにも足りません。

問題は、反物質の生成と貯蔵の効率とコストにある。 1グラムの反物質を生成するには、約2,500億キロワット時のエネルギーが必要となり、100億ドル以上の費用がかかります。反物質が世界で最も高価な物質トップ 10 のリストに含まれることがあることは驚くべきことではありません。

4. 反物質トラップのようなものは存在する

反物質を研究するには、反物質が物質とともに消滅するのを防ぐ必要があります。科学者はこれを行うためのいくつかの方法を発見しました。

陽電子や反陽子などの荷電反物質粒子は、いわゆるペニングトラップに保管できます。それらは小さな粒子加速器のようなものです。それらの内部では、磁場と電場によって粒子がトラップの壁に衝突するのを防ぎながら、粒子がらせん状に移動します。

ただし、ペニングトラップは反水素などの中性粒子には機能しません。これらの粒子は電荷を持たないため、電場によって閉じ込めることができません。それらはイオッフェトラップに保持されており、磁場があらゆる方向に強くなる空間領域を作り出すことによって機能します。反物質粒子は磁場の最も弱い領域に閉じ込められます。

地球の磁場は反物質トラップとして機能する可能性があります。反陽子は地球の周囲の特定のゾーン、つまりヴァン・アレン放射線帯で発見されました。

5. 反物質は（文字通り）落下する可能性がある

物質と反物質の粒子は同じ質量を持っていますが、電荷やスピンなどの性質が異なります。標準モデルは、重力が物質と反物質に等しく影響を与えると予測していますが、これはまだ確実にはわかりません。 AEGIS、ALPHA、GBAR などの実験がこれに取り組んでいます。

反物質の重力の影響を観察するのは、リンゴが木から落ちるのを見るほど簡単ではありません。これらの実験では、反物質を捕捉し続けるか、絶対零度より少し高い温度まで冷却することで反物質の速度を低下させる必要があります。そして、重力は基本的な力の中で最も弱いため、物理学者は、より強力な電気の力との相互作用を防ぐために、これらの実験では中性反物質粒子を使用する必要があります。

6. 反物質は粒子減速材で研究されています

粒子加速器や粒子減速機について聞いたことがありますか? CERN には、反陽子減速機と呼ばれる機械があり、反陽子をリング内に閉じ込めて減速し、その特性と挙動を研究します。

大型ハドロン衝突型加速器のようなリング状の粒子加速器では、粒子は円を一周するたびにエネルギー的なブーストを受けます。モデレーターは逆の働きをします。粒子を加速するのではなく、反対方向に押します。

7. ニュートリノはそれ自身の反粒子である可能性がある

物質の粒子とその反物質パートナーは反対の電荷を帯びているため、簡単に区別できます。ニュートリノは、物質とほとんど相互作用しないほぼ質量のない粒子であり、電荷を持ちません。科学者らは、それらがマヨラナ粒子、つまりそれ自身の反粒子である仮説上の粒子である可能性があると考えています。

マヨラナデモンストレーターや EXO-200 のようなプロジェクトは、いわゆるニュートリノのない二重ベータ崩壊の挙動を観察することによって、ニュートリノが本当にマヨラナ粒子であるかどうかを判断することを目的としています。

一部の放射性原子核は同時に崩壊し、2 つの電子と 2 つのニュートリノを放出します。ニュートリノがそれ自体の反粒子である場合、ニュートリノは二重崩壊の後に消滅し、科学者は電子だけを観察することができます。

マヨラナニュートリノの探索は、物質と反物質の非対称性が存在する理由を説明するのに役立つ可能性がある。物理学者は、マヨラナニュートリノは重いか軽いかのいずれかである可能性があると示唆しています。軽いものは現在も存在しますが、重いものはビッグバン直後にも存在しました。重いマヨラナニュートリノは非対称に崩壊し、その結果、宇宙を満たす微量の物質が出現しました。

8. 反物質は医療に使用される

PET、PET (陽電子放出トポグラフィー) は、陽電子を使用して体の高解像度画像を生成します。陽電子を放出する放射性同位体（バナナに含まれるような）は、体内に存在するグルコースなどの化学物質に付着します。それらは血流に注入され、そこで自然に崩壊し、陽電子を放出します。それらは次に、体の電子と遭遇して消滅します。消滅によりガンマ線が生成され、画像の構築に使用されます。

CERN の ACE プロジェクトの科学者は、がん治療の潜在的な候補として反物質を研究しています。医師らはすでに粒子ビームを腫瘍に向け、健康な組織を安全に通過した後にのみエネルギーを放出できることを発見している。反陽子を使用すると、さらにエネルギーのバーストが追加されます。この技術はハムスターの治療に有効であることがわかっていますが、人間ではまだテストされていません。

9.反物質は宇宙に潜んでいる可能性がある

科学者たちが物質と反物質の非対称性の問題を解決しようとしている方法の 1 つは、ビッグバンで残った反物質を探すことです。

アルファ磁気分光計 (AMS) は、国際宇宙ステーションに設置され、そのような粒子を探す粒子検出器です。 AMS には、宇宙粒子の経路を曲げ、物質を反物質から分離する磁場が含まれています。その検出器は、通過する粒子を検出して識別する必要があります。

宇宙線の衝突では通常、陽電子と反陽子が生成されますが、このプロセスには膨大な量のエネルギーが必要となるため、反ヘリウム原子が生成される可能性は依然として極めて低いです。これは、たとえ 1 個の対ヘリウム核小体の観測でも、宇宙の他の場所に膨大な量の反物質が存在することの強力な証拠となることを意味します。

10.反物質燃料を使って宇宙船に電力を供給する方法を実際に研究している人々。

反物質はほんの少しでも膨大な量のエネルギーを生み出すことができるため、SF の未来の船の燃料としてよく使われています。

反物質ロケットの推進は仮説上は可能です。主な制限は、これが起こるのに十分な反物質を収集することです。

このような用途に必要な量の反物質を大量生産または収集する技術はまだ存在していません。しかし、科学者たちは、まさにこの反物質のそのような移動と貯蔵をシミュレートすることに取り組んでいます。いつか、反物質を大量に生成する方法が発見されれば、彼らの研究は星間旅行の実現に役立つかもしれません。出版された

あらゆる種類の情報が公的に入手可能であること、特定の科学的または疑似科学的な問題に関連したテーマを含む SF 映画の豊富さ、センセーショナルな小説の人気、これらすべてが、私たちの世界に関するかなりの数の神話の形成につながりました。世界。たとえば、世界の終わりの変形を展開する数多くの理論のおかげで、「反物質」の概念は広く使用されるようになりました。芸術作品や終末論において、反物質とは、物質である物質とは反対の性質を持つ特定の物質を指します。ブラックホールの一種で、その引力領域に入るすべてのものを吸収して破壊します。実際、反物質とは何なのか、作家や監督や全体的な崩壊の予想に夢中になっている人々ではなく、科学者に尋ねる必要があります。

反粒子と反物質は宇宙の正常な部分です

科学者は、反物質には恐ろしいものや壊滅的なものは何もないと言うでしょう。物質と反物質を対立させることは不可能であるという事実だけのためであれば、一般的に反物質と呼ばれるものは、実際には物質の一種、つまり物質です。科学的な分類によれば、物質の粒子は通常、素粒子に囲まれた原子からなる物質構造と呼ばれます。原子の基本的な部分は原子核であり、原子核はプラスの電荷を持ち、その周りの素粒子はマイナスの電荷を帯びています。これらは、私たちが日常生活でエレクトロニクスや電化製品について言及するときに毎日使用している名前と同じ電子です。

反物質は反粒子、つまり核が負の電荷を持ち、その周囲の粒子が正の電荷をもつ物質構造で構成されます。

正の素粒子は 1932 年に科学者によって発見され、陽電子と呼ばれました。また、粒子と反粒子、物質と反物質の相互作用には致命的なドラマはありません。消滅は、反応する物質と反物質が、最初は存在せず、元の「母」粒子とは異なる特性を持つ根本的に新しい粒子に変化するプロセスです。確かに、「副作用」は非常に危険な可能性があります。消滅には大量のエネルギーの放出が伴います。 1キログラムの物質と1キログラムの反物質が反応すると、爆発するTNTの約43メガトンに等しいエネルギーが放出されると推定されている。地球上で爆発した最も強力な核爆弾は、約58メガトンのTNTの可能性がありました。

反物質をどうやって入手するかは科学の問題ではない

反物質の実在は証明された事実です。科学者の理論的仮定が世界の一般的な科学的全体像と調和して組み合わされ、反粒子が実験的に発見されました。反粒子は、粒子と反粒子の相互作用反応によって人工的に生成され、50年近くが経過しています。 1965 年に反重陽子が合成され、30 年後に反水素が得られました (「古典的な」水素との違いは、反物質原子が陽電子と反陽子で構成されていることです)。科学者たちはさらに研究を進め、2010年から2011年にかけて実験室環境で反物質原子を「捕捉」することに成功した。約 40 個の原子だけが「トラップ」に陥ったとします。それらは 172 ミリ秒間保持できました。

粒子と反粒子の相互作用には膨大なエネルギーの可能性があることを考えると、反粒子を研究するための実際的な見通しは明らかです。

反物質を使用し、制御された方法でこのプロセスを開始すると、実際にエネルギーを得るという問題が完全に解消されます。

いつものように、問題はお金の問題です。計算によると、今日、反物質を 1 グラム生成するのに約 60 兆ドルの費用がかかることがわかります。したがって、今のところ伝統的なエネルギー源は依然として重要ですが、研究は継続する必要があります。さらに、すでに 20 世紀から 21 世紀の変わり目に、天文学者や天体物理学者は宇宙に反物質の源を発見していました。特に、宇宙空間を移動する正に帯電した素粒子（陽電子）の実際の流れに関するデータが得られました。自然条件における反粒子の形成メカニズムを説明する、実践的な研究によって多かれ少なかれ実証された理論がいくつか登場しています。

非常に一般的な説明は、反粒子はブラックホールの強い重力場で形成されるというものです。この重力場は「通常の」物質と相互作用し、物質を「処理」するプロセスの結果、重力の影響で電荷がマイナスからプラスに変化した粒子である陽電子が得られます。もう 1 つの概念は、自然に発生する放射性元素を指しており、その中で最もよく知られているのは超新星です。これらの天然原子炉は副産物として反粒子を「生成」すると考えられています。他のバージョンもあります。たとえば、2 つの星が合体するプロセスには、電荷が変化した粒子の形成が伴う場合や、逆に、そのような影響により星の死が引き起こされる場合があります。

反物質はどこで見つかるのか - 研究者のためのパズル

したがって、反物質の存在は否定できません。しかし、宇宙の秘密を研究するときによく起こることですが、発展の現段階の科学ではまだ解決できていない根本的な問題が生じています。宇宙の構造の対称性原理によると、私たちの世界には、正の核と負に帯電した粒子からなる原子の数と、負の核と正の粒子を含む原子の数と、反物質とほぼ同じ量の物質が含まれているはずです。しかし実際には、反物質の大規模な蓄積の痕跡は現時点では発見されていない（理論家はそのような蓄積に「反世界」という名前を付けさえした）。

天体観測では、反物質は放出されるガンマ線によってのみ非常によく検出されます。しかし、楽観主義者は希望を失わず、それは当然のことです。

第一に、地球は、「反物質」の半分から最大限に離れた宇宙の「物質」部分に位置している可能性があります。これは、全体としての性能と高度な観測装置が不十分であることを意味します。第二に、電磁放射の観点からは、物質と反物質からなる物体は区別できないため、ここでは光学観察方法は役に立ちません。第三に、妥協理論は否定されていません。たとえば、宇宙には細胞構造があり、各細胞は半分の物質と半分の反物質で構成されています。

アレクサンダー・バビツキー

反物質の合成。 まさにその逆

消滅

合成