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理学部 物理学科
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我々はなぜ存在できるのか？ 物质が存在し反物质が存在しない谜
物质の対となる反物质とは？
物质の最小単位は素粒子で、一般的に粒子と反粒子が対として存在します。粒子と反粒子は、いわばプラスとマイナスの関係で、これらが出会うと、お互いに打ち消し合って消灭します。
宇宙に存在する星や我々生命などは、粒子によって构成された「物质」でできています。反粒子によって构成されたものは、「反物质」と呼ばれます。「反物质」は见かけ上「物质」と全く変わりません。もしも仮に、「反物质」で出来た世界があるとすれば、我々の「物质」でできた世界と全く见分けがつかないはずです
反物质は存在するか？
「物质」と「反物质」は见分けがつかないと言いましたが、目の前にあるものが「物质」であるか「反物质」であるかは简単にわかります。もしもそれが「反物质」であった场合、手を触れた途端に大爆発が起き、物质でできた我々もろとも互いに消灭してしまいます。しかしながら、そのような恐ろしい话は厂贵の世界だけで、身の回りには「反物质」は存在しません。宇宙を见渡しても、物质と反物质が出会うことによる大爆発は観测されておらず、夜空に辉く星もみな「物质」でできているようです。
「粒子」と「反粒子」の性质の违いを探る
ではなぜ、「物质」で出来た我々が存在できるのでしょうか。「物质」と「反物质」が全く同じ性质をもっているならば、「物质」と「反物质」が同数存在するはずであり、やがて互いに消灭してなくなってしまうはずです。「反物质」が存在せず「物质」で出来た世界が存在するためには、「粒子」と「反粒子」の间に「颁笔対称性の破れ」とよばれる性质の违いが必要です。つくば市の高エネルギー加速器研究机构で行われた加速器実験「叠ファクトリー実験」では、この「颁笔対称性の破れ」について详细に调べ、そのメカニズムはノーベル物理学赏を受赏した小林?益川両氏の提唱した理论に従うことがわかりました。「反物质」が消え「物质」が残るための必要条件を一つクリアしたことになり、谜の解明に向けた第一歩を记したといえます。
素粒子物理学の枠组み「标準模型」の先には何があるのか？
素粒子の标準模型とは
2012年にヒッグス粒子が発见され、「标準模型」と言われる素粒子物理学の理论的枠组みが完成しました。この标準模型は、基本的な相互作用とされる4つの力のうち、「电磁気力」、「弱い力」、「强い力」の3つを含む理论体系で、ノーベル物理学赏を受赏した小林?益川理论もこの中に含まれます。标準模型は、地球上で実験的に作り出せるあらゆるミクロの现象をほぼ矛盾なく説明することができる强力なものです。しかし、一方で、「重力」を含んでおらず、また宇宙に物质が存在し、反物质が存在しない谜などについても、この理论では説明することができません。
标準模型を超える物理を探す
そのため、多くの研究者は、标準模型を超えるより大きな理论的枠组みが存在すると考えています。しかしながら、标準模型を超える枠组みを実験的に探るのはそれほど简単ではありません。标準模型はあまりに强力であり、素粒子実験で得られる结果をことごとく标準模型が説明してしまうためです。高エネルギー加速器研究机构で予定している加速器実験「スーパー叠ファクトリー実験」では、电子とその反粒子である阳电子をこれまでにない高い频度で衝突させ、标準模型では説明できない极めて小さな手がかりを、膨大な実験データの中から探しだそうとしています。
もうひとつの键はニュートリノ
标準模型を超える枠组みを実験的に探るもうひとつの键は、ニュートリノです。
ニュートリノは电子と性质が似ていますが电荷を持っていません。ニュートリノはなんでも通り抜けてしまうため捕えることが难しく、その性质はまだ多くの谜に包まれています。もしかすると标準模型からはみだした性质を持っているかもしれません。例えば、电荷がないため、粒子＝反粒子かもしれません。もしそうだとすると、反物质が消えた谜を解く大きな键になります。この性质を调べるために、「ニュートリノを出さない二重ベータ崩壊」という现象の探索が世界各地でおこなわれています。
高校生?受験生の皆さんへのメッセージ
世界が存在するのは、一见、当たり前のようですが、ミクロの世界を详しく调べてみると、さまざまな奇跡的な偶然の上に我々が存在していることがわかります。例えば、星や我々人间を形成している「物质」がなぜ存在しているでしょうか。これは実はとても难しい问题で、まだ谁もその答えを示すことはできません。
このように、自分の身近にあることを「素朴な疑问」を持って见つめ直せば、当たり前だと思われることの中にも谜があり、それを探求することで新しい発见につながるかもしれません。
梦ナビ编集部监修
