私たちが研究することが小さければ小さいほど、自然についてのより基本的な知識が私たちに明らかになります。最小の既存のオブジェクトを理解して説明できれば、これに基づいて大きなオブジェクトの理解を深めることができます。ただし、スペースの最小化に制限があるかどうかはわかりません。
私たちの宇宙には、私たちが破ることを観察したことがないという規則があります。それらのいくつかは一度も違反されたことがないと予想しています。光より速く移動できるものはありません。 2つの量子が相互作用するとき、エネルギーは常に保存されます。運動量と角運動量を作成または破壊することはできません。等。しかし、これらのルールのいくつかは、私たちには見えませんでしたが、過去のある時点で破られたに違いありません。
それらの1つは物質と反物質の対称性です。物質の粒子が生まれたり破壊されたりする各相互作用は、反物質の世界から同数の対応するもの、つまり反粒子を破壊または生成します。私たちの宇宙はほぼ完全に物質でできており、反物質がほとんど含まれていないことを考えると（星、銀河、または反物質でできた安定した宇宙構造はありません）、この対称性は明らかに過去に破られています。しかし、これがどのように正確に起こったのかは謎のままです。物質の謎 /反物質の非対称性は、依然として物理学における最大の未解決の質問の1つです。
また、通常、物質の構成部分を意味する「粒子」や反物質の構成部分を意味する「反粒子」と言いますが、これは完全に真実ではありません。粒子は必ずしも重要ではなく、反粒子は常に反物質であるとは限りません。これは、科学がこの直感に反する状況について言わなければならないことです。
巨視的スケールから亜原子スケールまで、基本粒子のサイズは、複合構造のサイズを決定する上で小さな役割を果たします。これらのビルディングブロックが本当に基本的で点粒子であるかどうかはまだわかっていませんが、宇宙が大きな宇宙のスケールから小さな素粒子までどのように機能するかは理解しています。人体には約10個の28個の原子が含まれています。
地球上にある物質を想像すると、おそらくそれらの100％が物質で構成されていると思います。これは大まかにそれがどのようであるかです-私たちの惑星のほとんどすべては物質でできています。また、陽子、中性子、電子で構成されており、これらはすべて物質の粒子です。陽子と中性子は、グルーオンと結合して原子核を形成するアップクォークとダウンクォークで構成される複合粒子です。電子はこれらの原子核に付着しているため、原子の総電荷はゼロになり、電子は光子の交換によって伝達される電磁相互作用によって原子核に接続されます。
ただし、原子核内の粒子の1つが定期的に放射性崩壊します。典型的な例は ベータ崩壊です..。中性子の1つが陽子に変わり、電子と電子反ニュートリノを放出します。この崩壊に関与するさまざまな粒子や反粒子の性質を研究することで、宇宙について多くのことを学ぶことができます。
巨大な原子核における核ベータ崩壊の概略図。ベータ崩壊は弱い相互作用を介して機能し、中性子を陽子、電子、および電子ニュートリノに変換します。ニュートリノが発見される前は、ベータ崩壊ではエネルギーと運動量が保存されていなかったようです。
私たちが始めた中性子には、次の特性があります。
- それは電気的に中性であり、その総電荷はゼロです。
- それは3つのクォークで構成されています-2つは下部（-1/3の電荷）と1つは上部（2/3の電荷）です。
- それは静止質量の形で約939MeVのエネルギーを含んでいます。
陽子、電子、電子ニュートリノなど、崩壊する粒子にも独自の性質があります。
- 陽子の電荷は+1で、1つのダウンクォークと2つのアップクォークで構成され、残りの質量には約938MeVのエネルギーが含まれています。
- 電子の電荷は-1であり、基本的に見えない粒子であり、残りの質量に約0.5MeVのエネルギーを蓄えます。
- 電子ニュートリノには電荷がなく、基本的に見えない粒子であり、その静止質量は不明であり（ただし、ゼロより大きい）、0.0000001MeV以下のエネルギーが蓄積されます。
すべての拘束力のある保存則はまだそこにあります。エネルギーは保存され、「余分な」中性子エネルギーの少量の供給は、結果として生じる粒子の運動エネルギーに変換されます。運動量は保存され、結果として生じる粒子の運動量の合計は常に中性子の初期モーメントに等しくなります。しかし、私たちはどこから始めてどこで終わったかを研究するだけでなく、それがどのように起こったかを知りたいのです。
自由中性子は不安定です。それらの半減期は10.3分で、陽子、電子、電子反ニュートリノに崩壊します。中性子を反中性子に変えると、すべての粒子が対応する反粒子に変わります。物質は反物質に置き換えられ、反物質は物質に置き換えられます。
量子論によれば、崩壊にはそれを制御する粒子が必要です。このプロセスを説明し、弱い相互作用の量子論では、これをすることによって行われ W -ボソン中性子の下クォークの一つの役割を果たしています、。素粒子がどうなるか見てみましょう。
中性子でダウンクォークの一つは、仮想W発する -ボソン、アップクォークに変わります。この相互作用では、クォークの数が保存されます。
仮想W -ボソンは多くの異なる粒子に崩壊する可能性がありますが、このプロセスはエネルギー保存の法則によって制限されています。その最終的な崩壊生成物は、中性子と陽子の間の静止質量の差よりも多くのエネルギーを持つべきではありません。
したがって、ほとんどの場合、電子は崩壊（負電荷を運び去るため）と電子反ニュートリノで生まれます。まれに、放射性崩壊が見られ、その結果、追加の光子が発生します。原理的には、Wとすることができる - （例えば、ダウンと抗アップから）クォークとantiquarksの組み合わせにボソン崩壊を、しかし、これはあまりにも多くのエネルギーを必要とする-以上の中性子の崩壊によって得られます陽子。
低エネルギーの通常の条件下では、自由中性子は弱い相互作用によって陽子に崩壊します。この場合、時間は図の上方に向かって増加します。十分に高いエネルギーでは、この反応は反対方向に進む可能性があります。陽子と陽電子またはニュートリノは相互作用して中性子を生成することができます。つまり、陽子が陽子と相互作用すると、重陽子が現れる可能性があります。これは、太陽の最初の重要な合成ステップがどのように機能するかです。
それでは、ミラーリングされたすべてのものを、物質から反物質へと反転させましょう。中性子の崩壊の代わりに、反中性子の崩壊を想像してみましょう。反中性子の特性は前述の中性子の特性と非常に似ていますが、重要な違いもあります。
- それは電気的に中性であり、その総電荷はゼロです。
- – ( +1/3) ( -2/3).
- 939 .
物質から反物質に移り、すべての粒子を対応する反物質に置き換えるだけです。質量は同じままで、組成（「アンチ」プレフィックスを考慮）は同じままで、電荷は反対に変化しました。そして、中性子と反中性子は電気的に中性ですが、それらの成分の電荷は変化しています。
ちなみに、これは測定できます！電荷は中性ですが、電子にはいわゆるものがあります。 スピンと電荷の両方が必要な磁気モーメント。その磁気モーメントを測定することができました-それは-1.91ボーア磁子に等しい です。反中性子の磁気モーメントは+1.91ボーア磁子です。その帯電した充填物はすべて、物質と反物質の反対でなければなりません。
実験と新しい理論的研究のおかげで、クォークとグルーオンの「海」がどのように分布しているかなど、核子、陽子、中性子の内部構造をよりよく理解するようになりました。研究により、バリオンの質量の大部分と、それらの重要な磁気モーメントを説明することができます。
崩壊するとき、反下部クォークはW +ボソン、Wの双子 -反物質ボソンを放出し 、それは反下部クォークを反上部クォークに変えます。ボソンW +以前のように、仮想-それは観測できず、「実際の」ボソンを作成するのに十分な質量/エネルギーがありません。しかし、その崩壊生成物は目に見えます-陽電子と電子ニュートリノ。 （はい、放射線の影響も現れる可能性があります-まれに、1つまたは複数の光子が崩壊生成物に追加されます）。すべてが前のバージョンの鏡像であることが判明し、物質の各粒子は反物質の2倍に変化し、反物質の粒子（電子反電子ニュートリノなど）はその逆になります。
地球上にある物質は、陽子、中性子、電子など、ほとんどが物質でできています。我々はまた、Wを有することを意味するこれらの中性子の減衰の小さな部分、 -ボソン、余分な陽子と電子（および光子）、およびいくつかの電子反ニュートリノ。私たちが知っていることはすべて標準模型によってよく説明されており、すべてを説明するのに十分な粒子と反粒子があります。 [クリック可能]標準模型は、どの粒子が実際に存在し、どの反粒子がそれぞれに存在するかを判断するのに役立ちます。そして、宇宙は主に物質で構成されており、反物質の微量の含有物しかありませんが、そのすべての粒子が物質または反物質のいずれかにのみ起因するわけではありません。
私たちは地球を「反地球」、つまり私たち自身の反物質的なバージョンに置き換えることができます。次に、各粒子を対応する反粒子に置き換えるだけです。陽子と中性子（クォークとグルーオンからなる）の代わりに、反陽子と反中性子（反クォークからなるが、同じ8つのグルーオンを持つ）があります。代わりにWを介した中性子の崩壊の -ボソン、Wを経由して反中性子の減衰が存在することになる +のボソン。電子と電子ニュートリノ（そして時には光子）を取得する代わりに、陽電子と電子ニュートリノ（そして時には光子）を取得します。
宇宙の通常の物質はクォークとレプトンで構成されています。クォークは陽子と中性子（そして一般的にはバリオン）を構成し、レプトンには電子とその重い親戚、そして3つの通常のニュートリノが含まれます。裏側には、反物質を構成する反粒子、つまり反クォークと反レプトンがあります。通常の減衰が異なるWを含む経路従うが-とW +ボソンを 、電子antineutrinos陽電子の形で反物質の少量があります。これは、太陽、宇宙線、その他の粒子やエネルギー源を含む外部宇宙全体をなんとかして「取り除く」ことができたとしても当てはまります。
標準模型の粒子と反粒子。その存在は物理法則によって予測されます。クォークとレプトンはフェルミ粒子と物質です。反クォークと反レプトンは反フェルミオンと反物質です。しかし、ボソンは物質でも反物質でもありません。
しかし、残りの粒子と反粒子はどうですか？物質と反物質について話すとき、私たちはフェルミ粒子、つまりクォークとレプトンについてのみ話します。ただし、ボソンもあります。
- 1光子、電磁放射の中間体。
- 8つのグルーオン、強い核力のメディエーター。
- 3弱いボソン、W +、W -及びZ 0弱い相互作用と弱崩壊で、メディエーター、ならびに他のすべてと異なっているヒッグス粒子、。
粒子のいくつかは、それ自体に対する反粒子です-光子、Z 0、およびヒッグス粒子。 W +は、 Wの反粒子である - 、及びグルーオンの三対が明確お互いに反粒子である（第四の対と、すべてがもう少し複雑です）。
粒子をその反粒子と衝突させると、それらは消滅し、すべての量子保存則（エネルギー、運動量、角運動量、電荷、バリオン数、レプトン数、レプトン数）を考慮に入れて、十分なエネルギーであるすべてのものを放出できます。 、などなど。それ自体が反粒子である粒子についても同じことが言えます。
正しいGUT特性を持つ物質と反物質ボソン（XとY、および反Xと反Y）の等対称コレクションは、今日の宇宙で見られる物質と反物質の非対称性を引き起こす可能性があります。
ここで注目すべきは、「物質」と「反物質」の対立という考えがどのように現れるかです。あなたが正のバリオン数またはレプトン数を持っているなら、あなたは問題です。否定的な場合、あなたは反物質です。そして、あなたがバリオンまたはレプトン数を持っていないなら、あなたは問題でも反物質でもありません！私たちの宇宙には、フェルミ粒子（クォークとレプトン）とボソン（その他すべて）の2種類の粒子がありますが、物質または反物質になることができるのはフェルミ粒子だけです。
ニュートリノがマヨラナフェルミ粒子であることが判明した場合 、理論を修正する必要があります-結局のところ、マヨラナフェルミ粒子はそれ自体が反粒子になる可能性があります。
これは、パイ中間子や他の中間子など、クォークと反クォークの組み合わせで構成される複合粒子は、物質または反物質に属さず、両方で構成されることを意味します。 ポジトロニウム-一緒に結合された電子と陽電子は、物質や反物質にも適用されません。ある場合 leptoquarksからか、超重XまたはYボソン 壮大な統一理論、そしてそれらはバリオン数とレプトン数の両方を持つ粒子の例になります-それらのために物質と反物質の両方からのオプションがあります。超対称性の理論が正しければ、物質でも反物質でもない光子のフェルミ粒子対応物である フォティーノができます。超対称ボソン（スクォーク）を持つこともでき 、粒子と反粒子のバージョンは物質と反物質に分けられます。 標準模型の粒子とそれらの超対称の対応物。それらの半分弱が発見され、残りの存在の証拠はまだ誰も見ていません。超対称性は標準模型を改善するはずですが、まだ成功した予測をしていません。
宇宙には粒子からなる物質と、それに対応する反粒子からなる反物質があると考えるのは非常に簡単です。これは部分的に真実です-宇宙の粒子のほとんどは、私たちが問題と考えるもので構成されています。それらすべてを反物質に置き換えると、私たちが反物質と考えるものが得られます。これは、すべてのクォーク（バリオン数+1/3）、レプトン（レプトン数+1）、反クォーク（バリオン数-1/3）、および反レプトン（レプトン数-1）に当てはまります。 。
しかし、他のすべて-バリオン数とレプトン数を持たないすべてのボソン、すべての複合粒子、バリオン数とレプトン数の合計がゼロに等しいものは、中間領域にあり、物質や反物質に属していません。この場合、それらのタイプの1つは粒子に起因するものではなく、もう1つは反粒子に起因するものです。はい、W +そしてWは -粒子/反粒子のように、全滅させることができますが、それらは、他のすべてのボソンと同様に、物質と反物質に分けることができません。彼らは、いわば、そのような地位を主張することはできません。それらのどれが問題であり、どれが反物質であるかを尋ねる意味はありません。お互いに粒子と反粒子ですが、物質や反物質に特徴的な性質を持っているものはありません。