ATLAS at Anywhere (旧 ATLAS at Osaka)

反水素

昨日の新聞に、反物質の生成に成功という記事を見つけました。何のことかと思えば、すでに今世紀初頭に成功した反水素の生成の話でした。実は新聞記事だけでなく、CERNの所長もユーザー宛に送るメールで反水素生成について触れていましたから、プレスリリースがあったということなんでしょうね。

ではなぜプレスリリースがあったかというと、素人かつ外部の人間が推測するに、生成した反水素を反水素として保持していられる時間がこれまでよりも格段に長くなったからのようです。そもそもなんで反水素を作るかというと、(これまた素人が聞きかじった知識ですが)反水素のエネルギー準位を詳細に測定して、水素のエネルギー準位と比較、CPTが破れていないか検証すること、だったはずです。

CPTというのは、C(荷電共役変換=粒子と反粒子の入れ替え)、P(パリティ=空間座標の反転)、T(時間反転)の3つの変換を掛け合わせたもので、非常に緩い仮定から素粒子の場の理論はCPT変換に対して不変ということが示せるので、ゲージ原理(ゲージ対称性)あるいは不確定性原理のような宇宙の法則を支配するルールではありませんが、非常に根源的な対称性であると考えられています。ちなみに、PやCPは、相互作用の特徴を示すものなので、相互作用を帰納的に考察するには重要ですが、ゲージ原理やCPT対称性は演繹するための前提みたいなものなので、同じ対称性としてはくくれません。

というわけで、最終目標はCPTの検証。それにはエネルギー準位の測定が必要。ということは、数多くの反水素が長い時間反水素でいることが必要。で、今回は、反水素の保持時間が格段に長くなったので、実験の大きなマイルストーンということだったのでしょう。

ところで、反水素は水素の反物質ですから、反陽子と陽電子からなる束縛系です。どうやって作るかというと、(たぶん)放射線源から得られる陽電子をポテンシャル障壁でどこかに溜めておき、そこに加速器で生成される(陽子を標的に当ててできる)反陽子を減速、冷却して入射します。反陽子で陽電子は電荷が逆ですから、どういうポテンシャル障壁を作るのか謎ですが(=きっと、それが秘伝のタレなのでしょう)、とにかく反陽子も陽電子付近にポテンシャル障壁でトラップさせます。一言で言うと、反陽子と陽電子を空間的にも速度的(=温度的)にもそろえてやることで、束縛状態を生成させます。

ではどうやって反水素ができたということを実証するのかというと、ある時間が経って反水素が消滅すると、反水素は物質との相互作用により(実験は真空に近い状態にしますが、本当の真空状態は作り出せないので微量の粒子が存在します。もちろん宇宙空間にもたくさんの粒子が飛び回っています)、パイオンなどの粒子を生成して消滅。陽電子は崩壊してガンマ線を対生成します(=癌などの場所を調べるPETで使われている崩壊です)。反陽子の消滅により生成されるパイオンなどの粒子の生成位置と、ガンマ線をトレースすることで同定する陽電子の崩壊位置が等しいということをもって、反陽子と陽電子の束縛状態が存在した、つまり反水素が生成されていたとわかります。

とまあ、そういうわけで、反水素を生成できたということなのですが、反水素=反物質なんですね。つまり、陽電子のような反粒子は日常的に、とまでは言わないまでも、PETなどで広く使われています。が、反粒子は反物質ではなくて、反水素、つまり水素原子になると物質と呼ばれるのですね。どうでもいいことなのですが、どこまで物質と呼ばれて、どこからは物質と呼ばれなくなるのか、謎です。

それともう一つ感じたのは、「反物質」という言葉の響きのよさです。天使と悪魔の影響もあるのかもしれませんが、反物質というとマスコミの食いつき方、一般の人の好奇心の駆き立てられ方が違う気がします。しょっちゅう書いていますが、「宇宙」という言葉と似てますね。これも言霊かもしれません。

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この記事のコメント

素人考え的には、磁気双極子モーメントの違いでも使うんじゃないか? とか思いますが・・・ 実際はどうなんでしょうか?
2010-11-19 Fri 22:35 | URL | WB [ 編集]
ExtraDimension様
反物質が話題になっているので、ご教示をお願いしたいのですが、http://members3.jcom.home.ne.jp/nososnd/field/diracf.pdfによると、場の量子論では、ディラックの海の負の無限大のエネルギーを真空の負の無限大のエネルギーに置き換え、陽電子のエネルギーを陽電子の生成と消滅のエネルギーの差と見做し、真空の負の無限大のエネルギーを無視する事によって陽電子と電子のエネルギーの対等性を正当化していると考えられますが、場の量子論の中で現れる負の無限大のエネルギーは、一般相対性理論におけるエネルギーと重力場の等価性の法則に抵触することにはならないのでしょうか?
2010-11-20 Sat 03:22 | URL | 凡人 [ 編集]
> 素人考え的には、磁気双極子モーメントの違いでも使うんじゃないか? とか思いますが・・・ 実際はどうなんでしょうか?

ブログ本文同様、かすかな記憶なのですが…単に電場でポテンシャルを
作ってるだけだったと思います。ただ、そのポテンシャル井戸の形が
一工夫されたものだというのが、売りだったような気がします。
自発的に対称性が破れた後のヒッグスのポテンシャルの形(いわゆる
ワイン底の形)みたいな形だったような。。。すると、原点付近と
真空期待値の地点に、それぞれ電荷の符号が反対の粒子が溜まりますよね。
2010-11-20 Sat 09:56 | URL | ExtraDimension [ 編集]
文脈を理解するのが私の能力では若干困難なのですが、場を量子化するときに
normal orderingにしないと出てくる無限大の基底エネルギー、つまり、
発散が気になるということでしょうか。もしそうだとしたら、観測できない
物理量(例えば位相などもそうですよね)は任意にとってもよい、としか
私には答えられません。あるいは、量子重力関連のご質問(?)だとしたら、
私の守備範囲外です。
2010-11-20 Sat 18:44 | URL | ExtraDimension [ 編集]
私が問題視しているのは、http://members3.jcom.home.ne.jp/nososnd/field/diracf.pdf内のP5の以下の件(くだり)です。
>この負の無限大の定数部分を無視することはディラックの海を無視することに対応しているからです。
>このように場の理論を使うことによって空孔理論での真空の解釈による問題を自動的に解決させることができます。
「この負の無限大の定数部分」というのは、この件の上に示している数式の-constだと思っています。

>場の量子論の中で現れる負の無限大のエネルギーは、一般相対性理論におけるエネルギーと重力場の等価性の法則に抵触することにはならないのでしょうか?
の件についてですが、陽電子の背景場が負の無限大のエネルギーを有しているとすると、一般相対性理論におけるエネルギーと重力場の等価性の法則により、背景場の時空の曲率が負の無限大になってしまうので、問題があると思っています。
2010-11-20 Sat 20:06 | URL | 凡人 [ 編集]
> 私が問題視しているのは、http://members3.jcom.home.ne.jp/nososnd/field/diracf.pdf内のP5の以下の件(くだり)です。
> >この負の無限大の定数部分を無視することはディラックの海を無視することに対応しているからです。
> >このように場の理論を使うことによって空孔理論での真空の解釈による問題を自動的に解決させることができます。
> 「この負の無限大の定数部分」というのは、この件の上に示している数式の-constだと思っています。

ですので、場の量子論では通常normal orderingを採用して発散を防ぐ
(そういうnotationを採用している)と、前回のコメントで申し上げました。
そして、なぜnormal orderingを採用するかというと、観測量ではないので
任意でよいという、一般論を申し上げました。
normal orderingを採用しないと、発散が残って、負の無限大のエネルギー
(調和振動子の零点エネルギーみたいなもの)が残りますが、発散が残って
いる系をどのように解釈したらよいのか、私にはわかりません。
なので、教科書の教え通りnormal orderingで納得してしまっています。
確かに気になる部分ではあるかもしれませんが。
2010-11-21 Sun 18:06 | URL | ExtraDimension [ 編集]
>教科書の教え通りnormal orderingで納得してしまっています。
normal orderingの用語の意味を調べないで、的外れなコメントをしてしまいまして申し訳ありませんでした。

>確かに気になる部分ではあるかもしれませんが。
とりあえず、私の理解内容がそんなに間違ってはいない事が分かり、安心しました。
お手を煩わせまして、申し訳ありませんでした。
2010-11-21 Sun 22:00 | URL | 凡人 [ 編集]
> >確かに気になる部分ではあるかもしれませんが。
> とりあえず、私の理解内容がそんなに間違ってはいない事が分かり、安心しました。

たぶん、凡人さんが気にされているのは、normal orderingに
しないと基底状態(真空)のエネルギーが無限大になって
しまう、というところだというのはわかるのですが、まずは、
場の量子化をしっかりと勉強するのがいいのではないかと思います。
すると、ディラックの海という無理矢理な解釈(過去の遺物ですね)
が必要ないということを体感できますし、通常の教科書的な考え方が
身について、さらにその先について考えるのに役立つと思います。

その上で、もう一回真空のエネルギーについて考えるのが道順
として正しいような気がします。カシミール効果の議論から、
真空はどうやらエネルギー(=その値そのものは人間は観測できず、
やはり差のみが観測にかかります)を持っているようですが、
これらに関してはまだ研究途上です。ダークエネルギー、あるいは
宇宙項と関連しているのかもしれませんが、正しい解釈、理論は
確立されていません。たぶん。

頑張って勉強なさってください。
2010-11-22 Mon 13:44 | URL | ExtraDimension [ 編集]
『凡人』さんのご指摘は、大変筋が良く、本質的な問題から目を逸らさないもののように思います。調和振動子では、まず消滅演算子をかけて0になることから、ちゃんと帰納法の1段目の、規格化可能な解が求まるんですから、場の量子論だからといって急に抽象的で得体の知れないものになるのは、おかしいですよね。

恥ずかしい話、修士の頃当初、「そうか、繰り込んでしまえば良いから発散は問題にならないのか」と鵜呑みにしておりました。宣伝になってしまうのですが、私の論文の補遺に引用した、't Hooftのコメントでは、「繰り込みをするために借りてきた項は、後で返さなければならない」とか(英語は苦手なので自信ありませんが、たぶんそういう意味のことが)書いてあります。途中計算では発散が有っても良いけれど、最後のラグランジアンは、全体として規格化可能な辻褄の合ったものになっていなければならない、ということではないでしょうか。

流言飛語に惑わされることなく、徒労に時間を費やすことなく、科学者として能力を存分に発揮され、ご活躍できますようお祈りします。

#私は、妬みから陰湿な嫌がらせをするような人より、遠慮なく間違いは指摘したり、自慢を言う人の方が、頭が良いなら好きです。個人の意見を主張することは自慢ぽくていけないなんて、とてもつまらなくて発展の見込めない社会だと思うのです。率直な科学的議論を聞いて嫌な気分になったり、問答無用で削除させたりするのは、その人の心根のほうが不健全なのでは。妙に勿体ぶるような人も、もしかして他人の理解を妨害するために、意地悪で出し惜しみしているのでしょうか?

人間に難題がある限り、研究テーマに困ることはないと思うのですが。私は博士論文を1/6に削除されたときも、「卵を奪われても、すぐ次を考えるようでないと、研究職には向かないのだ」と思いました。いくらネタが有っても私だけ研究費0では余りにも不公平ですけどね。今もアカハラ被害が回復されなくて、仕事に集中できないほどつらい思いをしています。人生は短いのです。Hawkingは不遇で偉いかもしれませんが、もしその意見が間違っていると思うのなら、正直にそう言うべきだと思います。彼よりずっと若くて健康だった横田さんは、詐欺的な超弦理論のために留年する羽目になり、自殺してしまったのです。
2010-11-22 Mon 18:24 | URL | nisimiyu(西川美幸) [ 編集]
ExtraDimension様
学習の方向性を指し示していただきまして、大変有難う御座いました。

西川美幸様
興味深い内容をご教示いただきまして、大変有難う御座いました。
2010-11-22 Mon 21:51 | URL | 凡人 [ 編集]
高レベルな話題に割って入るのは何ですが、反物質と物質の衝突実験は行っていないのでしょうか?

検索したけど見つかりません。

とっくに実験しているとばかり、、、

一家に一台対消滅反応炉が実現すれば、ほんの数個の反粒子で家庭がまかなえるはずだから、、、原子炉不要なのに。

「奥さん聞きまして、3丁目が対消滅余波で壊滅したそうですよ。」

「八百屋の高橋さんが反物質柄杓でイドから反物資質を漉くっている最中に咳をして落としてしまったそうですわ。嫌ですわね~」

見たいな会話が日常的にされる時代はまだですかね~

ちなみに反物質と物質は互いに反発するのかくっ付き合うのか?

宇宙で自然現象的な対消滅反応は見られないのでしょうか?(宇宙背景放射はこの名残か?)

教養がないSF好きの戯言です。無視して下さい。

2010-11-23 Tue 09:23 | URL | あき [ 編集]
> 高レベルな話題に割って入るのは何ですが、反物質と物質の衝突実験は行っていないのでしょうか?

反粒子と粒子の衝突実験なら非常に当たり前のように衝突実験が
行われています。反粒子は自然界に”安定に”存在しないだけで、
宇宙線が大気に衝突することなどで非常に大量に生成されています。
生成はされるが、自然界は粒子だらけなので、すぐに粒子と衝突して
エネルギーの塊となって消えてしまうだけです。また、エネルギーの
塊から粒子と反粒子の対生成もごく当たり前のできごとで、自然界で
普通に起こっていることです。

素粒子の実験では反粒子を生成し使用するのはごく日常的で
何も珍しいことはありません。今回の反水素が話題になったのは、
反粒子である反陽子と、反粒子である陽電子の束縛状態(=反水素)を
生成して(生成自体は10年近く前に成功しています)その束縛状態を
長時間保持できたということがニュースになっていました。

私にもよくわからないのですが、陽電子などの反粒子は反物質と
呼ばれないのに、反水素の場合は反物質と分類されるようですね。
少なくとも新聞ではそう使われています。原子以上の大きさをもつ
構造体のことを物質と呼ぶのですかね。
2010-11-23 Tue 15:34 | URL | ExtraDimension [ 編集]
> 一家に一台対消滅反応炉が実現すれば、ほんの数個の反粒子で家庭がまかなえるはずだから、、、原子炉不要なのに。

反物質を作るエネルギーをどうやって作るかを考えてみて下さい。
宇宙に反物質に満ち満ちているところが無いことはわかっています。

> ちなみに反物質と物質は互いに反発するのかくっ付き合うのか?
夢を壊すようですが、物質も反物質も同じ物理法則が成り立つので、物質か反物質かに関係なく引力斥力は存在します。例えば電荷による引斥力、重力による引力。
もう少し、物事がわかって来ると反物質とかそういう言葉のひびきに不感になります。ある意味夢の無いことですが、ものを知ると言うのはそういうことです。
きっと ED さんはイトカワの微粒子には不感だと想像します。
2010-11-23 Tue 18:35 | URL | 中村@Belle [ 編集]
>> ちなみに反物質と物質は互いに反発するのかくっ付き合うのか?
>夢を壊すようですが、物質も反物質も同じ物理法則が成り立つので、物質か反物質かに
>関係なく引力斥力は存在します。例えば電荷による引斥力、重力による引力。
6年前に転職したので、詳しくは知りませんが
電荷は、0でないとすれば互いに逆符号になるので、ある原子とその反原子の場合、
基本的には引力で、外側の電子、陽電子からくっつきやすいのではないでしょうか。
ファンデルワールス「斥力」になるのかと一瞬、思いますが、電子と陽電子は別なので
反物質同士なら引力ですが、反物質と物質でも、引力のままかも。
直感的に深く考えず答えただけなので、勘違いしているかもしれません。
2010-11-23 Tue 22:40 | URL | nisimiyu(西川美幸) [ 編集]
>夢を壊すようですが、
高校の物理のレベルでいうと、F=-Gm1m2/r^2、a=F/mなので、二つの物質の質量が共に負の場合は、二つの物質の両方に重力が斥力として働くのではないでしょうか?
因みに、片方の物質の質量が負で、もう片方の物質の質量が正の場合は、質量が負の物質の側は引力が、質量が正の物質の側は斥力が働くと思います。
ただし、質量が負になり得るのは仮想粒子しかないので、仮想粒子を物質と呼んで良いのかどうかは分かりませんが。
2010-11-23 Tue 23:43 | URL | 凡人 [ 編集]
質量は、定義上負にはなりません。Dirac方程式の負エネルギー解は、電子と同質量の陽電子の意味です。
2010-11-24 Wed 07:30 | URL | nisimiyu(西川美幸) [ 編集]
http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2007_04/jspf2007_04-387.pdfの2ページには、「真空の中では「仮想粒子対」と呼ばれる正のエネルギーと負のエネルギーを持つ光子のペアの生成と消滅がいたるところで繰り返されている.」と書かれているので、真空中で正と負の質量をもった仮想電子も対発生していると思うのですが、いかがでしょうか?
それと、http://www005.upp.so-net.ne.jp/yoshida_n/qa_a38.htmのホーキング放射についての説明もどうかご覧下さい。
2010-11-24 Wed 20:42 | URL | 凡人 [ 編集]
戯言に付き合ってくださって有難う御座います。

回答下さった意見を拙い頭で想像していたらまた戯言が、、、

対消滅では光子が出るそうですが、もし同質量の運動量がない対消滅を起こし、発生した光子により対生成を起こして臨界を起せば、ある種の永久機関と成り得ますか?
2010-11-24 Wed 23:17 | URL | あき [ 編集]
> 対消滅では光子が出るそうですが、もし同質量の運動量がない対消滅を起こし、発生した光子により対生成を起こして臨界を起せば、ある種の永久機関と成り得ますか?

ご質問の意味を理解できているかどうか甚だ不安なのですが…
e+ e- --> gamma(光子)---> e+ e- --> gamma --> e+ e- --> ...
ということを繰り返し行えるか?というご質問でしょうか。
だとしたら、そういう過程は不確定性原理の許す範囲内で
ごく普通に発生しています。が、エネルギーが増えることは
ないので永久機関ではありません。また、不確定性原理の
許す中で発生している事象に直接人間がアクセスすることも
できません。

2010-11-25 Thu 12:34 | URL | ExtraDimension [ 編集]
あもんさんという親切な方から、本件について
>重力場を考える場合、時空に無限大のエネルギー密度が存在しては困るので、ボゾンとフェルミオンがそれぞれ同じ自由度だけ存在して、すなわち「超対称性」が存在して、無限大のエネルギー密度が正確にキャンセルされていると考えるのが普通です。
という 回答をいただきましたので、ご報告申し上げます。
2011-06-09 Thu 01:22 | URL | 凡人 [ 編集]

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