陽電子

1928年、ポール・ディラックは電子が正と負の両方の電荷を持つことができるという論文を発表した。^{[ 5 ]}この論文では、量子力学、特殊相対性理論、そして当時新しかった電子スピンの概念を統合したディラック方程式を導入し、ゼーマン効果を説明した。この論文は新しい粒子を明示的に予測したわけではないが、電子が正または負のエネルギーを持つ解を認めた。その後、ヘルマン・ワイルは負のエネルギー解の数学的意味について論じた論文を発表した。^{[ 6 ]}正のエネルギー解は実験結果を説明できたが、ディラックは数学モデルが許容する同様に有効な負のエネルギー解に困惑した。量子力学では、古典力学がそのような方程式でしばしばそうするように、負のエネルギー解を単純に無視することは許されなかった。二重解は、電子が正と負のエネルギー状態の間を自発的にジャンプする可能性を示唆していた。しかし、そのような遷移はまだ実験的に観測されていなかった。^{[ 5 ]}

ディラックは1929年12月に、相対論的電子の避けられない負のエネルギー解を説明しようとする続編論文^{[ 7 ]}を発表した。彼は「…負のエネルギーを持つ電子は、あたかも正の電荷を帯びているかのように外部[電磁]場を運動する」と主張した。さらに彼は、宇宙全体は負のエネルギー状態の「海」と見なすことができ、電子が正のエネルギー状態（負の電荷）と負のエネルギー状態（正の電荷）の間を飛び越えるのを防ぐように、負のエネルギー状態が満たされていると主張した。この論文では、陽子がこの海の中の島であり、実際には負のエネルギーを持つ電子である可能性についても検討した。ディラックは、陽子が電子よりもはるかに大きな質量を持つことは問題であると認めつつも、将来の理論がこの問題を解決することを「期待」した^{[ 7 ] 。}

ロバート・オッペンハイマーは、陽子がディラック方程式の負のエネルギー電子解であるという考えに強く反対した。もしそうであれば、水素原子は急速に自己崩壊するだろうと彼は主張した。^{[ 8 ]}ワイルは1931年に、負のエネルギー電子は正のエネルギー電子と同じ質量を持たなければならないことを示した。^{[ 9 ]}オッペンハイマーとワイルの議論に納得したディラックは、1931年に論文を発表し、電子と同じ質量と反対の電荷を持ち、電子と接触すると互いに消滅する「反電子」と呼ばれる、まだ観測されていない粒子の存在を予測した。^{[ 10 ]}

エルンスト・シュトゥッケルベルク、そして後にリチャード・ファインマンは、陽電子を時間的に逆行する電子として解釈することを提案し、ディラック方程式の負のエネルギー解を再解釈した。^{[ 11 ]}時間的に逆行する電子は正の電荷を持つことになる。ジョン・アーチボルド・ホイーラーはこの概念を用いて、すべての電子が共有する同一の性質を説明し、「それらはすべて同じ電子であり、複雑で自己交差する世界線を持つ」と示唆した。^{[ 12 ]}南部陽一郎は後にこれをすべての粒子・反粒子対の生成と消滅に適用し、「時折起こる可能性のある対の最終的な生成と消滅は、生成や消滅ではなく、単に粒子の運動方向が過去から未来へ、あるいは未来から過去へと変化しているにすぎない」と述べた。^{[ 13 ]}時間を遡る視点は今日では他の図と完全に同等であると受け入れられているが、それは微視的な物理的記述には現れない巨視的な用語「原因」と「結果」とは何の関係もない。

1923年から、ウィルソン霧箱を用いてコンプトン効果を研究していたドミトリ・スコベルツィンは、印加された磁場の中で電子のように振る舞うが反対方向に曲がる軌跡を観測した。スコベルツィンは、1928年7月23日から27日にかけてケンブリッジ大学で開催された会議で、この現象を示す写真を発表した。 ^{[ 14 ]}同様の写真証拠は、イレーヌとフレデリック・ジョリオ＝キュリー夫妻 らによっても見られたが、当時、これらの異常な軌跡を説明できる者はいなかった。^{[ 15 ] [ 16 ]}スコベルツィンは、2つの重要な貢献によって、最終的に陽電子の発見への道を開いた。1つは霧箱に磁場を加えたこと（1925年^{[ 17 ]} ）、もう1つは荷電粒子宇宙線を発見したことである。^{[ 18 ] [ 19 ]}この発見は、カール・デイヴィッド・アンダーソンのノーベル賞受賞講演で彼の功績として挙げられている。^{[ 20 ]}

同様に、1929年にカリフォルニア工科大学の中国人大学院生であったChung-Yao Chaoは、電子のように振る舞うが正の電荷を持つ粒子を示す異常な結果に気付いた^{[ 21 ]}が、結果は決定的ではなく、この現象は追求されなかった^{[ 22 ]} 。50年後、アンダーソンは、自身の発見がカリフォルニア工科大学の同級生であるChung-Yao Chaoの研究に触発されたことを認めた。アンダーソンは同じ放射性線源を使用したが、反電子の飛跡を見ることができる磁石霧箱を採用した^{[ 23 ] 。}

アンダーソンは1932年8月2日に陽電子を発見し^{[ 24 ]} 、 1936年にノーベル物理学賞を受賞した^{[ 25 ]。}アンダーソンは陽電子という用語を造語したわけではなく、1932年末に発見論文を投稿したPhysical Review誌の編集者の提案でその用語を使うことを許可した。陽電子は反物質の最初の証拠であり、アンダーソンが宇宙線を霧箱と鉛板に通したときに発見された。この装置を磁石で囲むと、粒子は電荷に応じて異なる方向に曲がった。各陽電子が残したイオンの軌跡は、電子の質量電荷比に一致する曲率で写真乾板上に現れたが、その方向は正の電荷を示していた^{[ 26 ] 。}

アンダーソンは後になって、もし追跡調査が行われていれば、チョンヤオ・チャオの研究に基づいて陽電子はもっと早く発見できたかもしれないと書いている。^{[ 22 ]}パリのフレデリックとイレーヌ・ジョリオ＝キュリーは、アンダーソンの研究結果が発表された当時、古い写真に陽電子の証拠があったが、それを陽子だと見なしていた。^{[ 26 ] [ 27 ]}

陽電子は、 1932年にキャベンディッシュ研究所のパトリック・ブラケットとジュゼッペ・オッキアリーニによっても同時期に発見されていた。ブラケットとオッキアリーニはより確固たる証拠を得るために発表を遅らせていたため、アンダーソンが先に発見を発表することができた。^{[ 28 ]}

衛星実験により、一次宇宙線中に陽電子（および少数の反陽子）が存在する証拠が発見されており、これは一次宇宙線中の粒子の 1% 未満に相当する。^{[ 40 ]}しかし、宇宙線中の陽電子の割合は、特に高エネルギーレベルで、より最近精度が向上して測定されており、これらの高エネルギー宇宙線では陽電子の割合が大きいことがわかっている。^{[ 41 ]}

これらはビッグバンからの大量の反物質、あるいは宇宙における複雑な反物質（その証拠は不足している、後述参照）の産物ではないようだ。むしろ、宇宙線中の反物質は、これら2つの素粒子のみで構成されているように見える。最近の理論では、このような陽電子の発生源は、暗黒物質粒子の対消滅、天体における陽電子の高エネルギーへの加​​速、および宇宙線原子核と星間ガスとの相互作用における高エネルギー陽電子の生成である可能性が示唆されている。^{[ 42 ]}

国際宇宙ステーションに搭載されている現在稼働中のアルファ磁気スペクトロメータ（AMS-02）の予備的な結果によると、宇宙線中の陽電子は方向性を持たず、エネルギーは0.5 GeVから500 GeVの範囲で到達する。^{[ 43 ] [ 44 ]}陽電子の割合は、全電子+陽電子イベントの約16%でピークに達し、エネルギーは約275 ± 32 GeVである。500 GeVまでの高エネルギーでは、陽電子と電子の比率は再び低下し始める。陽電子の絶対フラックスも500 GeVより前に低下し始めるが、ピークは電子エネルギー（約10 GeVでピーク）よりもはるかに高いエネルギーである。^{[ 45 ] [ 46 ]}これらの結果の解釈については、質量のある暗黒物質粒子の消滅イベントでの陽電子生成によるものと示唆されている。^{[ 47 ]}  

陽電子は、反陽子と同様に、宇宙の仮説上の「反物質」領域から発生するようには見えません。それどころか、宇宙線には反ヘリウム原子核（すなわち反アルファ粒子）のような複雑な反物質原子核の証拠はありません。これらは積極的に探索されています。AMS -02のプロトタイプであるAMS-01は、1998年6月にスペースシャトル・ディスカバリー号でSTS-91ミッションで宇宙に打ち上げられました。AMS -01は反ヘリウムを全く検出しなかったため、反ヘリウムとヘリウムのフラックス比の上限を1.1×10⁻⁶としまし^た。^{[ 48 ]}