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物質



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物質の6つの状態
  • 固体
  • ②液体
  • ③気体
  • ④プラズマ
  • ⑤ボーズ・アインシュタイン凝縮
  • ⑥フェルミ凝縮
物質は周囲の温度などに応じて「気体」「液体」「固体」など5つの状態(相)をとることが知られていたが、米研究グループは2004年1/28、極低温下で6番目の物質の相を発見したと発表。物質の電気抵抗がゼロになる超電導と深い関係にあるとみられ、研究グループは産業分野への応用も期待している。
 米国立標準局と米コロラド大学の共同研究チームの成果。

同チームは1995年に物質の5番目の相となる「ボーズ・アインシュタイン凝縮」を極低温下で見つけ、2人が2001年にノーベル物理学賞を受賞した。今回の発見はそれに匹敵する業績。
 
物質は周囲の温度が上がると「固体」から「液体」「気体」「プラズマ」へと相を変えられる。

一方、極低温の絶対温度(-273℃)に近づくと、物質は超電導など奇妙な性質を示すようになるが、新たに見つかった6番目の相である「フェルミ凝縮」はこれらの現象と密接な関連があるという。






6つの要素
CP対称性の破れ 

変化を説明するには6つのファクターが必要になることは、理論物理学の分野で中性子の数が6つ必要であることを数学的に証明した(違いが出来る条件を計算した)『小林・益川理論』で明らかにされた。
2008年ノーベル賞を受賞。CP対称性の破れ
  • CP対称性
    CPの[C」 電荷(チャージ)のこと。
    「C変換」 電荷の種類が異なる粒子と反粒子をお互いに入れ替えること
    CPの「P」 偶奇性(パリティ)のこと
    「P変換」 物理現象を鏡に映した状態にひっくり返すことをいう。
    C変換とP変換を同時に行ったときに、物理の法則が不変であることを「CP対称である」という。
  • 長い間、物理学ではCP対称性が成り立っていると信じられていた。



  • 理論発表当時はクォークの数は3個しか発見されていなかった。
    彼らは対照性が崩れて変化が起きるには6つのクォークが必要であることを数学的に証明し、1944年になって6つのクォークが発見された。
    さらに、つくばにある「高エネルギー加速器研究所」での「Bファクトリ」実験から物質(ここではB中間子と反B中間子)の壊れ方と壊れる時間に違いのあることが発見された。
    ・・・BファクトリのBはボトムの略


クォーク 



宇宙の始まりは、とんでもない高温の中から「粒子」と「反粒子」が出た。粒子と反粒子がぶつかるとどちらも消滅し光のエネルギーが出てくる(アインシュタインの相対性原理)。


「粒子」は3つのクォークに分かれ、「反粒子」も3つのクォークに分かれる。
(粒子) (反粒子)
左回り 右回り
マイナス(-) プラス(+)
ボトム(クォーク)
ストレンジ(クォーク)
ダウン(クォーク
トップ(クォーク)
チャーム(クォーク)
アップ(クォーク)

  • クォークの仲間は6種類。
  • 電荷 クオーク 重さ
    ぷらす2/3の電荷
    を持つ
    アップクォーク 電子の4~16倍
    チャームクォーク 電子の2000~3100倍
    トップクォーク 電子の34万倍
    マイナス1/3の電荷
    をもつ
    ダウンクォーク 電子の10~29倍
    ストレンジクォーク 電子の200~590倍
    ボトムクォーク 電子の8000~8800倍


「Bs中間子」と呼ぶ粒子が一瞬のうちにその反粒子に変化し、また元に戻る
  • 米フェルミ国立加速器研究所を中心とした国際研究グループは、「Bs中間子」と呼ぶ粒子が一瞬のうちにその反粒子に変化し、また元に戻るのを繰り返す振動現象を初めて観測することに成功した。
    粒子の振る舞いを説明可能にした「小林・益川理論」を改めて裏付けた。
    Bs中間子の振動は他の中間子よりも振動周期が極めて短く観測が難しかった。中間子を発生させるためにぶつける陽子に高エネルギーなものを使い、中間子が粒子か反粒子かを調べる精度を向上させた。
    観測の結果、Bs中間子の振動数は1秒間に約2兆8000億回分かった。
    誤差は約4%でこれまで他の実験から予測されていた約5倍の精度。
    振動数は小林・益川理論の予想範囲内に収まっており、理論の正しさを照明したことになる。
    物質には陽子や電子など普通の粒子で形づくられている粒子と、質量などが同じで電気的な性質が正反対の反粒子があり、粒子と反粒子が出会った瞬間に両粒子とも消滅し光が発生する。
    宇宙誕生時、普通の粒子と同じ数の反粒子があれば宇宙に物質は存在しないはずだが、現実の宇宙には粒子だけが残っている。小林・益川理論はこの理由を説明できる。2006.4.17《日本経済新聞》

対称性の破れ
  • クォークでは、証明されたが、ニュートリノでは証明されていない。
  • 2016年、高エネルギー加速器研究機構などのチームが物体をすり抜けて飛び交う素粒子「ニュートリノ」の「粒子」と「反粒子」の変化に違いがある「CP対称性の破れ」の兆候をとらえたと発表した。
  • 宇宙ではニュートリノの方が多い




物質の重さ(質量)はなぜあるのか?
物質の重さ=質量

2004年、物質の重さ(質量)はなぜあるのか?」
という謎を解く物理現象「クオーク凝縮」。
  • 約40年前に予言されていたが、、東京大学や理化学研究所などのグループが実験で確認した。早野龍五東大教授に成果の意義を聞いた


「物質を構成する陽子や中性子はクオーク3個から成るが、クオーク3個分の質量は陽子などの2%に過ぎない。残る98%の質量がどこからくるのか?
それを補うのがクオーク凝縮だ。

陽子などの内部にあるクオークとは別のクオークが陽子などの周囲に多数存在し、質量増をもたらすと考えられている。
クオーク凝縮は真空中では強く、高温高密度になると弱まるとされる。我々は高密度の原子核の中心部で凝縮が実際に弱まっているのを突き止め、クオーク凝縮の存在を裏付けできた



雷で「反物質」
2011年、物質と出会うとエネルギーを発して消滅してしまう「反物質」が、雷の発生に伴って生成されたことを示す証拠をNASA(米航空宇宙局)の研究チームが初めて発見した。
自然界には存在しないとされる反物質が、雷という自然現象によって生成されることが分かった。

チームによると2009年12月、NASAのガンマ線天文衛星「フェルミ」がエジプト上空を通過中に、特徴的なガンマ線を検出。分析したところ、反物質の一種で、通常の電子とは反対のプラスの電気を帯びた陽電子が、衛星を構成する物質の電子と衝突して消滅したときに発生したガンマ線であることを突き止めた。
同じ時刻に南に約4500㌔離れたザンビアで雷が発生していることから、まず雷に伴ってガンマ線が発生。次にこれが大気中の物質の原子核地殻を通過すると陽電子に変化し、地球の磁場に沿って北方に移動、微量が衛星にぶつかったとみられる。
ザンビアからエジプトまでは遠く、直進するガンマ線は水平線に阻まれて衛星に到達できないため、雷由来のガンマ線が直接検出されたわけではないとしている。

2017年、11/23ネイチャー。
京都大学の榎戸輝揚特定准教授ら。
反物質がカミナリによって生じることを見つけた。
新潟県柏崎市に観測装置を設置、カミナリで生じるガンマ線からあ反物質が物質と衝突した痕跡を捉えた。
反物質は重さは通常の物質と同じだが、電気的な性質が反対になる。

研究チームは2017年2月、検出器から数百㍍離れた場所に落ちた雷から、511㌔電子㌾という強いエネルギーを持つガンマ線を検出した。



反物質
反物質をとじ込めた

2010年、理化学研究所など8ヶ国の研究チームは、通常の物質と反対の性質を持つ「反物質」を装置の中に閉じこめることに世界で初めて成功した。
反物質と通常の物質の違いが分かれば物理学の基礎を検証でき、宇宙の謎の解明につながる。成果は11/18にネイチャー(電子版)に掲載。

とじ込めに成功したのは、水素原子と反対の性質を持つ「反水素原子」。

反水素原子はマイナスの性質を持つ「反陽子」と、プラスの性質を持つ「陽電子」から出来ている。
研究チームはスイス・ジュネーブにある欧州合同原子核研究機関の装置を使って反陽子と陽電子を作り、混ぜ合わせて反水素原子を合成。内部に強い磁力を加えられるビンの様な装置を開発し、反水素原子だけをとじ込めた。





結晶構造の変化・・・1/100億で観察
2011年、東京工業大学の腰原伸也教授や高エネルギー加速器研究機構の足立伸一教授らのグループは物質の結晶構造が100億分の1秒以内という一瞬で変化する現象を検出することに成功した。
X線解析で動画として観測した。
成果は1/17のエイチャー・マテリアルズに掲載
高エネ研の放射光科学研究施設で、100億分の1秒間の照射をくり返すX線をつくり、電子材料の「ペロブスカイト型マンガン酸化物」を高速撮影した。
この物質は極低温では絶縁体、室温では強磁性の金属で、それぞれ構造が異なる。今回、極低温の状態に短時間レーザーを当てると一瞬で原子の位置関係が変わり、どちらとも違う「第3の構造」に変身することが分かった。


温度で変わる物質
熱は、正確には熱エネルギーだ。
  • 分子(あるいは原子、以下同じ)の運動エネルギーの同義語で、その程度を表すのが温度だ。
    分子はお互いに引き合う力を持っている。
    このため温度が低い、つまり運動エネルギーが小さいときは、みなおとなしく集まる。

(結晶と非晶質)
キチンと格子状に並んでい固まるのが結晶で、きれいに並ばないのがガラス質(非晶質)だ。
固まっても運動エネルギーがあるから、自分のいる場所を中心に小さく乱雑な振動をしている。


(液体)
運動エネルギーが増す、つまり温度が高くなると、お互いにくっついていた状態で動き回るようになる。これが液体だ。

同じ液体でも高い温度では、分子の激しい動きが自分の領域を広げるから、膨張が起こる。
これを使って温度を測るのが水銀体温計やアルコール寒暖計だ。

(気体)
液体の状態からさらに温度が高くなると、分子の動きが激しくなり、もうお互いについていられず、空間に飛び出て気体となる。
このガマン仕切れなくなった状態が、熱い鍋の底で起こるのが沸騰だ。

飛び交う気体分子は容器の壁にぶつかり、圧力をかける。だから、圧力は、ぶつかる分子の運動エネルギー、つまり温度に比例して大きくなる。


常温1気圧では、空気(酸素・窒素)の分子同士も1秒間に数十億回衝突している。
衝突で分子は速度の向きを変えるが、飛ぶ速さは秒速数百㍍と素晴らしく大きい。


熱は運動エネルギーなので分子の衝突によって広がり均されていく。こえが熱伝導だ。
運動エネルギー(温度)が大きく違う2つの分子がぶつかった場合。エネルギーは必ず激しい方(高温)からおとなしい方(低温)に渡される。
このため、ある場所の温度が一方的に高くなることはない。

物体の温度は結局、どこも一様な運動エネルギー(温度)を持った、熱平衡といわれる状態に落ち着いてくる。


物体を作っている分子は電磁波を吸収・放出しているから、空間(真空)も周辺の物体の温度相当のエネルギーの電磁波で満たされ、空間と物体との間も熱平衡に向かう。

極端なエネルギーの1点から大爆発「ビッグバン」を経て誕生したと考えられる宇宙は、すべてのエネルギーが一様に分布する方向に向かって粛々と進んでおり、いずれ「熱的死」と呼ばれる終焉を迎えるのだ。
(和田昭充・東京大学名誉教授)







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