反粒子 - 通信用語の基礎知識

反物質を構成する基本的な単位となる微細な粒子の総称。「反素粒子」とも。

概要
特徴

CPT定理
反転
対消滅
粒子構成

反粒子
反原子核
反クォーク

スピン量子数

反物質
回転の勢い
整数と半整数
超対称性変換

概要

物質を作る素粒子と比較して、電荷のみが正反対となるが、質量やスピンなどの性質は全く同じ、となる粒子をいう(但し、寿命などは異なることもある)。

このように、粒子と反粒子を互いに逆にして同じに見える状態を、「C(チャージ)が保存されている(C対称性を持つ)」という。

特徴

CPT定理

CPT定理では、物理法則をC(チャージ)、P(パリティ)、T(時間)という3次元の軸で表わし、各軸の反転変換には対称性があるとされ、これをCPT対称性という。

うち、チャージは質量などを表わし、パリティはスピンなどを表わす。

そして反物質とは、T軸が180°反転しているものとして扱う。これは、時間軸として見た場合には互いに反射(鏡映)であるということである。

反転

C対称性がある状態では、電荷の符号を逆にするだけで、物質と反物質が反転する。しかし電荷を持たない物質の場合、チャージ変換しても元と変わらない。このようなものを「マヨラナ粒子」という。

実際には、電荷以外にも様々な要素が存在し、それらが反転するために、電荷を持たない粒子であってもマヨラナ粒子にはならず、電荷は同じだが元の素粒子とは異なる反粒子となるものもある。

対消滅

反粒子は、通常の粒子と衝突すると対消滅を起こし、全ての質量はエネルギーに変換され放出される。

粒子構成

反粒子

電子の反粒子は陽電子、陽子の反粒子は反陽子、中性子の反粒子は反中性子である。

中性子も反中性子も電荷は持っていないが、それを構成する3個のクォークに反粒子が存在する(反クォークがある)ため、反中性子が存在する。中性子と反中性子は異なる粒子である。

反原子核

反粒子同士が結合し、反原子核を作ることができる。例えば実験により、反陽子と陽電子で反水素の反原子を作ることに成功しており、この場合は反陽子が反原子核であると言える。

また理論上は、この反水素は二つが結合して反水素分子を作る。このような反粒子の分子は反分子であると言える。

特殊相対性理論において空間に相対するものは時間だが、量子力学と結びつくと反粒子の説明が出来る。反粒子は「時間を逆行」しているのである。

反クォーク

通常の原子核は3個のクォークで構成されるが、反原子核は3個の反クォークで構成されることになる。

陽子なら2個のアップクォークと1個のダウンクォーク、中性子なら1個のアップクォークと2個のダウンクォークからなるが、反原子核はちょうどこれが反粒子に置き換わって構成される。反陽子なら2個の反アップクォークと1個の反ダウンクォーク、反中性子なら1個の反アップクォークと2個の反ダウンクォークから構成されることになる。

スピン量子数

反物質

反粒子であっても、基本的な性質は物質を作る素粒子と同じである。

スピン量子数についても、素粒子と何一つ変わるところはない。

回転の勢い

反ハドロンは、反クォークと呼ばれる反粒子から成り立っている。ここから、反物質は反クォークと反レプトンで構成されると言うことができ、更に反ゲージ粒子の存在も反物質に大きな影響を与えている。

これら反粒子は反ボース粒子と反フェルミ粒子に分けられるが、その違いはスピンにある。反粒子は自転しており、反粒子によって固有の回転の勢い(スピン量子数=スピン角運動量)を持つ。量子論での値は飛び飛びでディジタル風の表現になるが、スピンもまた同様であり、量子はある定数の1/2の倍数でしか回転の勢いを持つことができない(0、1/2、1、3/2、2、…)。

整数と半整数

整数(0、1、2、…)のスピンを持つものを反ボース粒子、半整数(1/2、3/2、5/2、…)のスピンを持つものを反フェルミ粒子という。

反ボース粒子は反ゲージ粒子や反中間子のように相互作用(力)の伝達に機能し、反フェルミ粒子は反陽子、反中性子、陽電子、反ニュートリノのように反物質を形作る。この性質は、スピンの違いによって生じている。

超対称性変換

超対称性変換は、ある粒子のスピンを1/2だけずらす操作をいい、これによって生まれると予言される粒子を超対称性粒子という。但し、現時点では一つも見つかっていない。

この操作により、従来反ボース粒子だったものは反フェルミ粒子の性質を獲得することになる。

例えば、反ゲージ粒子のグルーオン(グルーオンは素粒子と反粒子が同一)であれば、電荷0、色の電荷2種類、弱い電荷0、スピン1、という特徴がある。これを超対称変換すると、電荷などは同一で、スピンのみ1/2となった反フェルミ粒子、グルイーノ(グルイーノは素粒子と反粒子が同一)となる。

天文学では超対称性粒子は暗黒物質(ダークマター)の一つと考えられており、研究が進められている。

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用語の所属

反物質
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物質

電荷

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