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粒子物理学において、相対論的粒子とは、運動エネルギーがアインシュタインの式で与えられる静止質量エネルギー以上である素粒子、具体的には速度が光速に匹敵する素粒子である。[1]
これは、特殊相対性理論で記述される効果が光子自体の効果を記述できる程度にまで達成されます。単一および複数の相対論的粒子の運動を記述する手段としていくつかのアプローチが存在し、顕著な例としては単一粒子の運動に関するディラック方程式による仮定があります。[2]
粒子のエネルギーと運動量の関係は次のように表される: [3]
ここで、はエネルギー 、は運動量、は静止質量である。静止質量がゼロになる場合（例えば光子の場合）、または運動量が大きくなる場合（例えば高速陽子の場合）、この関係は線形分散に崩れる。すなわち、
これは、古典粒子の放物線状のエネルギー運動量関係とは異なります。したがって、実際には、エネルギー運動量関係の線形性または非放物線性が、相対論的粒子の重要な特徴であると考えられています。これらの 2 種類の相対論的粒子は、それぞれ質量なしと質量ありとして知られています。
実験では、質量を持つ粒子は、その運動エネルギーが静止質量に対応するエネルギーと同等かそれ以上である場合に相対論的である。言い換えれば、質量を持つ粒子は、その総質量エネルギーが静止質量の少なくとも 2 倍である場合に相対論的である。この条件は、粒子の速度が光速に近いことを意味する。ローレンツ因子の式によると、これには粒子が光速の約 85% で移動する必要がある。このような相対論的粒子は、粒子加速器で生成されるほか、[a]宇宙放射線で自然に発生する。[b]天体物理学では、相対論的プラズマのジェットが活動銀河とクエーサーの中心で生成される。[4]
異なる誘電率を持つ2つの媒体の界面を通過する荷電相対論的粒子は遷移放射線を放出する。これは高速粒子の遷移放射線検出器で利用されている。 [5]
デスクトップ相対論的粒子
相対論的電子は、グラフェンなどの半金属、 [6]、[7]、[8]、[ 9]、トポロジカル絶縁体、[10]、ビスマスアンチモン合金、[11]、遷移金属二カルコゲニド[12]、ブラックフォスフォレン層[13]などの半導体を含むいくつかの固体材料にも存在することがあります。ディラック方程式を使用して記述できる相対論的効果を持つこれらの格子閉じ込め電子は、デスクトップ相対論的電子またはディラック電子とも呼ばれます。
参照
注記
- ^ たとえば、衝突エネルギー 13 TeV で稼働している大型ハドロン衝突型加速器では、相対論的陽子の質量エネルギーは静止質量の 6,927 倍になり、光速の 99.999998958160351322% の速度で移動します。
- ^ 一例としては、Oh-My-God 粒子が挙げられます。
参考文献
- ^ Stacy, J. Gregory; Vestrand, W. Thomas (2003). 「ガンマ線天文学」.物理科学技術百科事典(第 3 版). Academic Press. p. 397-432. ISBN 978-0122274107。
- ^ Enzo, Zanchini (2010). 「相対論的粒子の質量、運動量、運動エネルギー」. European Journal of Physics . 31 (4): 763–773. Bibcode :2010EJPh...31..763Z. doi :10.1088/0143-0807/31/4/006. S2CID 121326562.
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- ^ マイクロエレクトロニクスの基礎研究のニーズ。米国エネルギー省、科学局、2018年10月23～25日。
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- ^ Francesca, Telesio (2022). 「数層黒リン平面ジョセフソン接合におけるジョセフソン結合の証拠」. ACS Nano . 16 (3): 3538–3545. doi : 10.1021/acsnano.1c09315. PMC 8945388. PMID 35099941.