陽電子

陽電子（反電子）

CD アンダーソンが撮影した、初めて特定された陽電子の霧箱写真。6 mm の鉛板が霧箱を隔てています。粒子のイオン軌跡の偏向と方向から、粒子が陽電子であることが分かります。
構成	素粒子
統計	フェルミオン
世代	初め
インタラクション	重力、電磁力、弱い
シンボル	e+ 、 β+
反粒子	電子
理論化された	ポール・ディラック（1928）
発見した	カール・D・アンダーソン（1932）
質量	自分​ 9.109 383 7139 (28) × 10 −31  kg ‍ [ 1] 5.485 799 090 441 (97) × 10 −4  Da ‍ [ 2] 0.510 998 950 69 (16)  MeV/ c 2 [3]
平均寿命	安定（電子と同じ）
電荷	+1 電子 +1.602 176 634 × 10 −19  C ‍ [ 4]
スピン	⁠1/2⁠  ħ (電子と同じ)
弱いアイソスピン	左: 0、右: ⁠1/2⁠

陽電子または反電子は、電荷+1 e、スピン1/2 (電子と同じ)、電子と同じ質量を持つ粒子です。これは電子の反粒子(反物質の対応物)です。陽電子が電子と衝突すると、消滅が起こります。この衝突が低エネルギーで起こると、2 つ以上の光子が生成されます。

陽電子は、陽電子放出放射性崩壊（弱い相互作用による）、または物質内の原子と相互作用する 十分にエネルギーの高い光子からの対生成によって生成されます。

1928年、ポール・ディラックは、電子は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ました。^[5]この論文は、量子力学、特殊相対性理論、そして当時の新しい概念であった電子スピン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ました。この論文は、新しい粒子を明示的に予測したわけではありませんが、電子が正または負のエネルギーを持つという解を認めました。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を議論した論文を発表しました。^[6]正のエネルギー解は実験結果を説明しましたが、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ました。量子力学では、古典力学がそのような方程式でしばしば行ったように、負のエネルギー解を単純に無視することはできませんでした。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ました。しかし、そのような遷移はまだ実験的に観察されていませんでした。^[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の解決法を説明しようとした続編の論文^[7]を書いた。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]場内を移動する」と主張した。さらに彼は、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)の間を行き来するのを防ぐため、空間全体が負のエネルギー状態の「海」とみなすことができると主張した。この論文では、陽子がこの海の中の島である可能性や、それが実際には負のエネルギーを持つ電子である可能性も検討した。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が問題であることを認めたが、将来の理論でこの問題が解決されるだろうという「希望」を表明した。^[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説に強く反対した。もしそうなら、水素原子は急速に自滅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主張に説得されたディラックは、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、電子と接触すると相互に消滅する、彼が「反電子」と呼んだ、まだ観測されていない粒子の存在を予言した。^[10]

リチャード・ファインマンと、それ以前のエルンスト・シュテッケルベルクは、陽電子を時間を逆方向に移動する電子として解釈することを提唱し、^[11]ディラック方程式の負のエネルギー解を再解釈した。時間を逆方向に移動する電子は正の電荷を持つ。ジョン・アーチボルド・ウィーラーは、すべての電子が共有する同一の特性を説明するためにこの概念を持ち出し、「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っていると示唆した。^[12] 南部陽一郎は後にこれを粒子-反粒子対の生成と消滅のすべてに適用し、「時々起こるかもしれない対の最終的な生成と消滅は、生成でも消滅でもなく、過去から未来へ、または未来から過去への粒子の移動方向の変化にすぎない」と述べた。^[13]時間を遡る視点は、今日では他の見方と完全に同等であると認められていますが、微視的な物理的説明には現れないマクロ的な用語「原因」と「結果」とは何の関係もありません。^[要出典]

いくつかの情報源によると、ドミトリ・スコベルツィンが1930年よりずっと前、^[14]あるいは1923年という早い時期に初めて陽電子を観測したという。^{[15]情報源によれば、スコベルツィンは}コンプトン効果を研究するためにウィルソン霧箱[ ^16]を使用した際、電子のように振舞うが磁場を印加すると反対方向に曲がる粒子を検出し、 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の写真を発表した。ノーウッド・ラッセル・ハンソンは1963年の陽電子発見の歴史に関する著書^[17]でこの主張の理由を詳しく説明しており、これが神話の起源かもしれない。しかし、ハンソンは付録でスコベルツィンの反論も紹介している。^[18]後にスコベルツィンはこの主張をさらに強く否定し、「まったくのナンセンス」と呼んだ。^[19]

スコベルツィンは、2つの重要な貢献によって陽電子の発見への道を開いた。霧箱に磁場を加えること（1925年^[20]）、そして荷電粒子宇宙線を発見すること^[21]である。後者については、カール・デイヴィッド・アンダーソンのノーベル講演で彼の功績が認められている^[22 ] 。スコベルツィンは1931年に撮影された画像で陽電子の軌跡と思われるものを観測したが^[23]、当時はそれを陽電子として特定していなかった。

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チョンヤオ・チャオは、粒子が電子のように振る舞うが正電荷を帯びていることを示す異常な結果に気づいたが、結果は決定的ではなく、この現象は追求されなかった。^{[24] 50年後、アンダーソンは、彼の発見がカリフォルニア工科大学の同級生である}チョンヤオ・チャオの研究に触発されたことを認めた。チャオの研究はアンダーソンの研究の多くを発展させる基礎となったが、当時は功績が認められていなかった。^[25]

アンダーソンは1932年8月2日に陽電子を発見し、^[26] 1936年にノーベル物理学賞を受賞した。 ^{[27]アンダーソンは}陽電子という用語を造語しなかったが、1932年後半に発見論文を提出したフィジカル・レビュー誌の編集者の提案でその用語を認めた。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過させたときに発見された。この装置の周囲に磁石が置かれており、粒子は電荷に基づいてさまざまな方向に曲がる。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、その方向は電荷が正であることを示した。^[28]

アンダーソンは回想の中で、チャオ・チョンヤオの研究がさらに続けられていれば、陽電子はもっと早く発見されていたかもしれないと書いている。^{[24]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、古い写真の中に陽電子の証拠を持っていたが、それを陽子として退けていた。^[28]

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。^[29]

陽電子は、ニュートリノとともに、天然の放射性同位元素（例えばカリウム40 ）のβ ⁺崩壊や、ガンマ量子（放射性原子核から放出される）と物質との相互作用で自然に生成される。反ニュートリノは、天然放射能（β ^{−崩壊）によって生成される別の種類の反粒子である。また、}宇宙線によって（そして宇宙線に）多くの異なる種類の反粒子が生成される。2011年にアメリカ天文学会によって発表された研究では、陽電子は雷雲の上で発生することが発見された。陽電子は、雲内の強い電場によって加速された電子によって生成されるガンマ線閃光の中で生成される。^{[30]反陽子は、} PAMELAモジュールによって地球の周りのヴァン・アレン帯に存在することも発見されている。^{[31] [32]}

反粒子は、質量が小さいため反ニュートリノと陽電子が最も一般的であるが、温度が十分に高い（平均粒子エネルギーが対生成閾値より大きい）環境であればどこでも生成される。宇宙が極めて高温で高密度であったバリオン生成の期間中、物質と反物質は絶えず生成され消滅した。残留物質が存在し、反物質が検出されない状態^[33]はバリオン非対称性とも呼ばれ、 CP対称性の破れ、すなわち物質と反物質を関連付けるCP対称性の破れに起因する。バリオン生成中のこの破れの正確なメカニズムは謎のままである。^[34]

放射性物質からの陽電子生成
β⁺
崩壊は人工的生成と自然生成の両方と見なすことができ、放射性同位元素の生成は自然または人工的である可能性がある。陽電子を生成する最もよく知られている天然放射性同位体はおそらくカリウム40であり、これはカリウムの原始同位体として発生する長寿命のカリウム同位体である。カリウムの割合は小さい（0.0117％）が、人体で最も豊富な放射性同位体である。質量70 kg（150ポンド）の人体では、1秒間に約4,400個の^{40 K原子核が崩壊する。 [35]}天然カリウムの放射能は31 Bq / gである。^{[36]これらの40} K崩壊の約0.001％が、人体で1日あたり約4000個の自然陽電子を生成する。^[37]これらの陽電子はすぐに電子を見つけ、消滅して511keVの光子対を生成します。このプロセスはPETスキャン 核医学検査中に起こるものと似ていますが、強度ははるかに低いです。^[要出典]

最近の観測によると、ブラックホールと中性子星は天体ジェット中に大量の陽電子電子プラズマを生成している。陽電子電子プラズマの大きな雲も中性子星と関連している。^{[38] [39] [40]}

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たが、その量は一次宇宙線中の粒子の1％未満である。^[41]しかし、宇宙線中の陽電子の割合は、特にはるかに高いエネルギーレベルで、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より大きくなることが確認されている。^[42]

これらは、ビッグバンの大量の反物質の産物ではないようですし、宇宙の複雑な反物質（その証拠は不足しています。下記参照）であるわけでもありません。むしろ、宇宙線中の反物質は、これら2つの基本粒子のみで構成されているようです。最近の理論では、このような陽電子の発生源は、暗黒物質粒子の消滅、天体物理学的物体における陽電子の高エネルギーへの加​​速、宇宙線核と星間ガスの相互作用による高エネルギー陽電子の生成から来るのではないかと示唆されています。^[43]

国際宇宙ステーションに搭載され、現在稼働中のアルファ磁気分光計（AMS-02 ）の予備的結果によると、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の範囲にある。^{[44] [45]}陽電子の割合は、275 ± 32 GeVのエネルギー付近で、電子+陽電子イベント全体の約16%で最大になります。500 GeVまでのより高いエネルギーでは、陽電子と電子の比率は再び低下し始めます。陽電子の絶対フラックスも500 GeVより前に低下し始めますが、約10 GeVでピークを迎える電子エネルギーよりもはるかに高いエネルギーでピークになります。^{[46] [47]これらの解釈結果は、巨大な}暗黒物質粒子の消滅イベントで陽電子が生成されることに起因していると示唆されています。^[48]

陽電子は反陽子と同様に、宇宙の仮想的な「反物質」領域から発生するようには見えない。逆に、反ヘリウム核（反アルファ粒子）などの複雑な反物質原子核が宇宙線に存在するという証拠はない。これらは積極的に探査されている。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 ディスカバリー号のSTS-91で宇宙に打ち上げられた。反ヘリウムをまったく検出しなかったAMS-01は、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に設定した。^[49]

カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所の物理学者は、超強力短パルスレーザーを使って厚さ数ミリメートルの金のターゲットを照射し、1000億個以上の陽電子を生成した。^[50]現在、5MeV陽電子電子ビームを大量に実験室で生成することで、さまざまな元素が5MeV陽電子の相互作用や衝撃にどのように反応するか、エネルギーが粒子にどのように伝達されるか、ガンマ線バーストの衝撃効果など、さまざまな特性を調査することができる。^[51]

2023年には、 CERNとオックスフォード大学の共同研究により、HiRadMat施設^[52]で実験が行われ、10兆個以上の電子陽電子対を含むナノ秒持続の電子陽電子対ビームが生成され、集団プラズマの挙動をサポートするのに十分な密度を持つ最初の「対プラズマ」が実験室で作成されました。^{[53]将来の実験では、}ガンマ線バースト、高速電波バースト、ブレーザージェットなど、大量の電子陽電子対が生成される極端な天体物理環境に関連する物理学を研究する可能性が提供されます。

ある種の粒子加速器実験では、相対論的な速度で陽電子と電子を衝突させます。高い衝撃エネルギーと、これらの物質と反物質の反対物の相互消滅により、多様な亜原子粒子の泉が生まれます。物理学者は、これらの衝突の結果を研究して、理論的予測をテストし、新しい種類の粒子を探します。^{[引用が必要]}

ALPHA実験は陽電子と反陽子を組み合わせて反水素の性質を研究する。^[54]

陽電子放出放射性核種（トレーサー）から間接的に放出されるガンマ線は、病院で使用される陽電子放出断層撮影（PET）スキャナーで検出されます。PETスキャナーは、人体内の代謝活動の詳細な3次元画像を作成します。^[55]

陽電子消滅分光法（PAS）と呼ばれる実験ツールは、固体材料内の密度、欠陥、変位、さらには空隙の変化を検出するために材料研究で使用されています。^[56]

• ベータ粒子
• バッファガストラップ
• 粒子のリスト
• ポジトロニウム
• ポジトロニック脳

ウィキメディア・コモンズには、陽電子に関連するメディアがあります。

• 陽電子とは何ですか? (よくある質問より :: 反物質研究センター)
• 陽電子と反物質に関するウェブサイト
• SLACにおける陽電子情報検索
• 陽電子消滅は、材料研究で使用される実験物理学の手法です。2022年3月3日にWayback Machineでアーカイブされました。
• 大量の陽電子を生成する新しい製造方法
• 反物質（陽電子、ポジトロニウム、反水素）に関するウェブサイト。イタリア、コモのポジトロン研究所
• AEgIS のウェブサイト: 反物質実験: 重力、干渉法、分光法、CERN
• 概要: 卓上粒子加速器...電子-陽電子流を生成するための新しい卓上方式。