現代量子論の確立
 1936年のノーベル物理学賞受賞者は誰だろう?オーストリアのヴィクトール・フランツ・ヘスと米国のカール・デイヴィッド・アンダーソンである。1936年というと、現代から見るとずいぶん昔のように感じられる。第二次世界大戦前、ナチスが台頭し、不景気で暗い時代のような印象を受けるが、調べてみると、現代に通じる新しい研究が受賞しているのに驚かされた。

 ヘスは、気球に乗り1912年「宇宙線を発見」。宇宙線は宇宙から飛来する放射線である。最近の「ヒッグス粒子」発見も、この宇宙線の発見なくしてはありえなかった。宇宙線を地球上でつくり出す、加速器が発明されて「ヒッグス粒子」も発見される。ちょうど今から100年前のこの発見によって、人類は“神の粒子”まで発見してしまう。
 アンダーソンは、1932年この宇宙線の中から、それまで考えられることのなかった、マイナスのエネルギーを持つ反粒子「陽電子」を発見する。今では「反物質」といっても驚かないが、最初の反物質の発見は、この「陽電子」であった。

Cosmicray

 この「陽電子」の発見はディラック方程式に予言されており、この発見が、1933年、ディラックのイーベル賞受賞のきっかけになる。現代量子論を完成させたディラックにも関係があるとは知らなかった。

 1938年のノーベル物理学賞は、現代量子論を確立させた、これらの基礎研究に贈られた。

 ヴィクトール・フランツ・ヘス
 ヴィクトール・フランツ・ヘス(Victor Franz Hess、1883年6月24日 - 1964年12月17日)は、オーストリア生まれで、後にアメリカ合衆国に移住した物理学者である。1936年、宇宙線を発見した功績でノーベル物理学賞を受賞した。英語名はヴィクター・フランシス・ヘス(Victor Francis Hess)。

 オーストリアのシュタイアーマルク州ペッガウの近郊で生まれた。1910年にグラーツ大学で学位を得た。ウィーン大学などで放射線の研究を行った。当時検電器に蓄えられた電荷が自然放電するのは、地球内部からの放射線によるものと考えられていたが、1912年、ヘスらは気球に乗って高度と放射線の強さの関係を測定した。

 上空に行くほど放射線強度が増加することを見出して、放射線が宇宙起源であることを示した。この功績で1936年のノーベル物理学賞を受賞した。1919年からグラーツ大学の非常勤教授となった。数年アメリカで研究した後1925年にグラーツ大学の常勤教授、1931年にインスブルック大学教授になったが、ナチスの台頭を嫌い、1938年にアメリカへ渡ってニューヨークのフォーダム大学の教授となった。1944年にアメリカの市民権を得た。
 1964年にニューヨークで没した。(Wikipedia)

 カール・デイヴィッド・アンダーソン
 カール・デイヴィッド・アンダーソン(Carl David Anderson、1905年9月3日-1991年1月11日)はアメリカの実験物理学者である。1936年に陽電子の発見でノーベル物理学賞を受賞した。

 ニューヨークにスウェーデン移民の家の子供として生れる。カリフォルニア工科大学で物理と工学を学ぶ。1930年博士号取得。1939年から引退までカリフォルニア工科大学の教授の職にあった。

 ロバート・ミリカンのもとで宇宙線の軌跡を霧箱で観測中に、1932年に陽電子を発見し、ポール・ディラックの予言した陽電子の存在を証明した。1937年にはネダーメイヤー(S.H.Neddermeyer)とともに宇宙線中にミュー粒子を発見した。はじめ、湯川秀樹によって理論的に予言されていた中間子と質量が近いことから、ミュー中間子と考えられたが、それとは違う素粒子であることが判ると、理論物理学者のラービが「そんなもの、誰が注文したんだ」と(中華料理店で食事をしている時に)言ったという逸話がある。西島和彦とマレー・ゲルマンらによる、素粒子の新しい規則性(中野・西島・ゲルマンの法則)などによる解明が必要となった。 (Wikipedia)

 宇宙線とは何か?
 宇宙線(Cosmic ray)は、宇宙空間を飛び交う高エネルギーの放射線のことである。主な成分は陽子であり、アルファ粒子、リチウム、ベリリウム、ホウ素、鉄などの原子核も含まれている。地球にも常時飛来している。1912年以降、ビクター・フランツ・ヘスは、気球を用いた放射線の計測実験を繰り返し、地球外から飛来する放射線を発見した。彼は、この業績により、1936年にノーベル物理学賞を受賞している。

 宇宙線のほとんどは銀河系内を起源とし、超新星残骸などにより加速されていると考えられている。これらは、銀河磁場で銀河内に長時間閉じ込められるため、銀河内物質との衝突で破砕し、他の原子核に変化することがある。実際、Li、Be、B、Sc、Vなどの元素の存在比が、太陽系内のものと宇宙線中とで大きく異なることが知られている。このため、宇宙線の元素比や同位元素の存在比を測定することで、宇宙線の通過した物質量を推測することが出来る。

 エネルギーの高い宇宙線の到来頻度は極端に低くなるが、そのエネルギースペクトルは冪関数 dI/dE∝E-α(α〜3)で近似できる。このため、宇宙線の加速は熱的なものではなく、星間磁気雲や衝撃波との衝突を繰り返すフェルミ加速のような機構が考えられる。

 地球大気内に高エネルギーの宇宙線が入射した場合、空気シャワー現象が生じ、多くの二次粒子が発生する。寿命の短いものはすぐに崩壊するが、安定な粒子は地上で観測される。 このとき、大気中に入射する宇宙線を一次宇宙線、そこから発生した粒子を二次宇宙線と呼ぶ。 一次宇宙線の大部分は陽子をはじめとする荷電粒子である。それに対して、二次宇宙線は地上高度では大半がμ粒子である。

 宇宙は巨大な粒子加速器
 一次宇宙線は陽子が集まったものだが、これが大気中の原子核と相互作用して、さまざまな粒子が生ずる。これが二次宇宙線である。これには、パイ中間子・ミュー粒子・ニュートリノ・電子・陽電子・光子などがある。

 こうした、さまざまな粒子を地上で人工的につくり出そうと計画されたのが、粒子加速器である。しかし、加速器で人間が作り出せるエネルギーは、重心系で最大1013 eVのオーダー(CERNで計画されているLHCが 1.4×1013 eV)であり、実験室系に換算しても、1017 eV程度である。 それに対し、宇宙線のエネルギーは実験室系で最大 1020 eVに達する。

 このため、現在でも、宇宙線によって超高エネルギー領域での素粒子反応について重要な知見を得ることができる。 実際に、様々な新粒子が素粒子実験より先に宇宙線中から見つかった。宇宙自体が巨大な粒子加速器なのだ。

 一般にはGZK限界を越えるエネルギーを持つ宇宙線(超高エネルギー宇宙線)は観測されないとされているが、その観測を目的とした実験計画(テレスコープアレイ実験)がある。なお、宇宙線は半導体素子の誤作動や破損の原因にもなる。(参考:Wikipedia)

 陽電子とは何か?
 陽電子(positron)は、電子の反粒子。絶対量が電子と等しいプラスの電荷を持ち、その他の電子と等しいあらゆる特徴(質量やスピン角運動量 (1/2))を持つ。

 陽電子は陽子過多により不安定な原子核のβ+壊変により生成される。もしくは、1.022 MeV以上のエネルギーの電磁波(γ線)と電磁場の相互作用により対生成される。

 陽電子は物質内に侵入すると、物質内の原子の核外電子(特に価電子、伝導電子)と対消滅し、数本のγ線となる。また、対消滅が起こる前に準安定状態の電子-陽電子対(ポジトロニウム)を作る場合がある。これは一種の水素様原子(元素記号はPs)である。電子と陽電子のスピンが反平行な一重項状態をパラポジトロニウム(p-Ps)といい、スピンが平行な三重項状態をオルソポジトロニウム(o-Ps)という。

 電子と陽電子の対消滅により放出されたγ線のエネルギー分布の観測から、単結晶中の電子の運動量密度分布を求めることができる。これは二光子消滅のγ線が本来511.0 keVであるところ、ドップラー効果によりエネルギーが増減するためである。また、物質中に陽電子が入射してから電子と対消滅するまでの時間スペクトルの時定数を陽電子寿命と呼び、これを調べることにより物質中の空孔型欠陥等を極めて高感度に調べることができる。これは陽電子の消滅率が電子密度に依存するためである。(Wikipedia)

 医療分野として、ポジトロン断層法を用いたがんの発見などに利用される。これは陽電子放出核種でラベルされた生体分子の分布や代謝を、放射能の空間分布やその時間変化を通してイメージングする手法である。日本ではがん診療への利用のみならず、がん検診としても利用されているが、これには賛否両論がある。

 材料分野においては、半導体の空孔型欠陥の検知(密度や種類の測定)や、ポリマーの自由体積の測定などにも利用できることが知られているが、主に研究室レベルで用いられており、産業利用の裾野が十分に開拓されていない。これはデータの解釈に専門的な知識が必要であることや、容易に入手できる市販装置が存在しないことなどが原因である。

 ディラックの海
 1928年、ポール・ディラックがディラック方程式を発表。この式は量子論の基礎となる、素粒子の波動性を表す式である。この方程式の解の一つに陽電子の存在があり、彼はディラックの海という空間を考え、陽電子つまり、反電子の存在を説明した。
 1932年にカール・デイヴィッド・アンダーソンが、鉛板を入れた霧箱を用いてそのような性質を持つ粒子の観測に成功し、プラスの電荷を持っていることから「陽電子」 (positron) と命名した。この陽電子の発見により、ディラックは1933年、アンダーソンは1936年にノーベル物理学賞を受賞する。

 なぜディラックは陽電子の存在がわかったのだろうか?ポール・ディラックは1928年にディラック方程式を基礎方程式とする(特殊)相対論的量子力学を見出したが、その方程式の「解」からは、負のエネルギーの状態が現れるという問題があった。負のエネルギーとは何だろうか?

 まず、「真空」とは何か考えてみよう。ニュートン物理学では、全く何もない空間を真空と定義した。これは誰しも納得の行く考え方であろう。ファラデーは、電磁場というものを想定し、真空が何もない空間ではなく、そこには「場」があるといったが、「場」があるなら、「場」の源になる何かが存在するはずである。

 ディラックは妙なことを考えた。「真空とは、エネルギーゼロの何もない空間だろうか?…数に+-があるように、もし負のエネルギーがあればエネルギーが負の空間があってもいいはずだ」ディラックは、自分の方程式から負エネルギーの電子が現れたとき、これまでの真空の概念を覆し、負エネルギーの電子が多数存在する空間を考えたのである。

 1930年に負のエネルギーの状態すべてがディラック粒子で満たされているとする“ディラックの海”を発表。この問題を解決した。ディラックの海の空孔は正のエネルギーを持ち、反粒子に対応する。

 現在の量子論で「真空」を考えると、何もないゼロの状態ではなく、電子と陽電子の生成と消滅を繰り返している状態を意味する。電子と陽電子は、プラスとマイナスで電気的に中性になるので、一見何もない状態に思えるが、実際には仮想的な電子と陽電子が対生成と対消滅を繰り返している。

 何かが「ゼロ」である場合、状態は「ゼロ」として確定してしまう。しかし量子論は「状態は不確定である」ことを示したので、哲学的な意味でのゼロの状態はあり得ない。つまり真空とは、電子と陽電子の生成(有)・消滅(無)の間を揺らいでいる状態なのだ。(図解雑学 量子論 佐藤勝彦監修 ナツメ社より)  

参考HP Wikipedia:フランツ・ヘス カール・アンダーソン アインシュタインの科学と生涯:ディラック方程式と陽電子 何はさておき量子論:ディラックの海

図解雑学 量子論 (図解雑学-絵と文章でわかりやすい!-)
クリエーター情報なし
ナツメ社
量子の海、ディラックの深淵――天才物理学者の華々しき業績と寡黙なる生涯
クリエーター情報なし
早川書房

ブログランキング・にほんブログ村へ 人気ブログランキングへ ←One Click please