本の情報
- すごい実験 ― 高校生にもわかる素粒子物理の最前線
- 多田 将 (著)
- 2011/8/11
概要
素粒子ニュートリノを中心に素粒子物理に関して、実際に高校生に講義した内容をまとめたもの。著者が所属するJ-PARCとスーパーカミオカンデで行っているすごい実験やニュートリノが発見された経緯、その実態などをわかりやすく解説している。
【引用】個人的に気になったポイント
取り出したいものが含まれた物質――たとえば「素粒子」を取り出したかったら、ひとつ上の階層の「陽子」を、思いっきり固い壁にぶつけて壊すんです。その砕けた中から素粒子を拾います。ものすごく原始的な、子供みたいなやり方ですよね。それが物理学の最先端で行われてる方法なんです。
つまり、中性子が壊れて、陽子と電子に変わったが、目に見えない粒子がもう１個出てるはずだと。そしてそれを足したら、エネルギーは吊り合う――そういう説を立てたんですね。
中性子って自然に壊れてたら陽子と電子になるから、壊れる前の中身も陽子と電子が詰まっているんじゃないの？って思いますよね。違うんです。中性子は自然に壊れるときに、変化するんです。
実は、クォークって単独で取り出すことには誰も成功していません。いろんな実験を試みたんですが、今でも成功していない。アップクォークだけを取り出すとか、ダウンクォークだけを取り出すとか、未だにできないんです。
「原子は、陽子と中性子の組み合わせからできている」とわかったので、この組み合わせを変えさえすれば、ぜんぜん違う元素を作ることができる――つまり錬金術って実は可能だったんです。ただし、化学的な手法（化学反応）を使ってはできません。ですからこれは化学の世界でなく物理の世界になりまして、しかも原子核を壊して作るので非常にコストがかかる。
ニュートリノは世の中のいろんなものに含まれています。「中性子に含まれている」ということは、すべての原子に含まれているわけですから。ありとあらゆるものに含まれていて、それが壊れたときにバラバラと出てくる。ニュートリノとは、「物が壊れたときに出てくるもの」と思ってもらってけっこうです。
太陽に向かって寝転ぶと、だいたい１平方メーター。ですから、まさにこの１平方メーターあたりの値と同じ――人間の身体は、１秒あたり６００兆個のニュートリノを浴びています。
つまり、ほとんどのニュートリノが地球を通り抜けてしまうんです。だいたい50億個のニュートリノのうち１個が当たるくらい。あとは全部通り抜けちゃう。
要するに、地球ですらこれですよ。50億個が通り抜けようとしてようやく１個当たるくらい。皆さんの身体は地球よりも随分小さいですよね。ですから、皆さんは一生のうちに、何個当たるかっていう程度だと思ってください。
ニュートリノを直接捕らえるのは無理なので、最初に中性子に当てて電子（あるいはミューオン、あるいはタウオン）を飛び出させます。そいつを物質中で走らせて、そいつが発するチェレンコフ光をキャッチする。２段階で間接的に捕らえるわけですね。
このように素粒子を研究するっていうのは、宇宙の始まりを研究することでもあるんですね。
僕が生きているあいだに、ニュートリノの利用方法はたぶん見つからないと思いますよ。でも、いつかニュートリノを利用できる日が来るかもしれない。そういうことなんですよね。というわけで、素粒子物理学って何のためにやってるんですか？答えはそれです。棚を埋めるためにやってるんです。
本書から得た気づき
ニュートリノ
中性子が壊れて、陽子と電子に変わり目に見えない粒子がもう1個出てるはずという質量保存の法則に則った考えから、その後実際にニュートリノが出現していたという経緯はとても興味深かかった。
また、ニュートリノは常に太陽から地球に降り注いでおり、太陽に向かって寝転ぶと1秒あたり600兆個のニュートリノを浴びているという。
こんなにもニュートリノを浴びているが、光と違って認識できないのはあまりにも小さくほとんどが通り抜けているからである。地球ですら50億個が通り抜けようとしてようやく1個当たるくらいの確率であり、人間では一生のうち何個か当たるくらいだそう。
ニュートリノの実験では著者が所属するJ-PARCでニュートリのビームを飛ばしスーパーカミオカンデでキャッチする。地球は丸いため、その特性を生かし地球内部にビームを飛ばしている。スーパーカミオカンデでは1日に10個くらい捕まえることができる。
実は錬金術も可能
前読んだ本か何かで中世の時代に錬金術が盛んになり、その後錬金術は不可能とのことだったが、化学的には不可能だが物理上では可能ということを知ってびっくりした。
原子核を破壊して違う元素を作ることで可能であるという。実際には非常に大きなコストがかかるため実用的ではないが、原子を人工的に作れるということはあらゆる可能性を秘めているように感じる。
実践ポイント
面白い原子の世界
原子は正の電荷を帯びた原子核と負の電荷を帯びた電子から構成されており、原子核はさらに陽子と電気的に中性な中性子から構成される。この原子やさらに細かくした素粒子の働きによって様々なことが解明されておりとても興味深い。
本書でも「素粒子を研究するっていうのは、宇宙の始まりを研究することでもある」とあったが、とても小さな素粒子の世界ととても広大な宇宙の世界がつながることはロマンがある。
具体的に
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