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粒子と反粒子の不思議な衝突 なぜ消えるのに新たな粒子が生まれるのか?
素粒子物理学では、消滅と生成のプロセスが宇宙の奇妙な性質を明らかにします。最も一般的に「消滅」として知られるこの現象は、一対の亜原子粒子が対応する反粒子と衝突し、他の粒子を生成するときに発生します。たとえば、電子が陽電子と衝突すると、2 つの光子が生成されることがあります。このプロセスでは、初期粒子ペアの総エネルギーと運動量が保持され、最終状態の粒子間に分散されます。粒子と反粒子の消滅は物理学の基本原理であるだけでなく、宇宙の基本構造を理解するための重要な鍵でもあります。
低エネルギー消滅の過程において、最も可能性が高いのは光子の生成です。
粒子と反粒子の消滅プロセスは、エネルギー保存、運動量保存、スピン保存など、物理学におけるいくつかの基本的な保存則に従います。これは、小さな粒子が相互作用するイベントであっても、総量が一定でなければならないことを意味します。同時に、反粒子の存在により、多くの現象を観察することができます。その中で最も興味深いのは、さまざまな重粒子を生成する高エネルギー粒子衝突器で反粒子が引き起こす消滅現象です。
消滅と生成の関係
「消滅」という用語は、互いに対称ではない 2 つの粒子間の相互作用を説明するために、学者によって非公式によく使用されます。この場合、一部の量子数が初期状態で合計が 0 にならなかったとしても、最終状態での合計は依然として一貫しています。たとえば、高エネルギー反ニュートリノと電子の「消滅」により W フェルミオンが生成される可能性があり、これは消滅プロセスの多様性と複雑さを示しています。
高エネルギー環境では、消滅プロセスによってより重い粒子が生成される可能性があるため、高エネルギー粒子衝突器も重要な研究ツールになります。
初期粒子が素粒子の場合、それらを組み合わせて、光子、グルーオン、ヒッグス粒子などの単一の素粒子を生成できます。このプロセス中、中心運動量系の総エネルギーが実際のボソンの静止質量に等しい場合、粒子はその寿命に従って崩壊するまで存在し続けます。それ以外の場合、このプロセスは、仮想ボソンの生成と見なすことができ、仮想ボソンは実際の粒子と反粒子のペアに変換されます。これは、いわゆる S チャネル プロセスです。たとえば、電子と陽電子が消滅すると仮想光子が生成され、その後ミニオンとアンチトリノに変換されます。
消滅の実際的な例
電子陽電子消滅
低エネルギー環境では、電子と陽電子の間の消滅によって 2 つの光子が生成されることがよくあります。電子と陽電子には約 0.511 万電子ボルト (MeV) の静止エネルギーがあることを考慮すると、このエネルギーは消滅中に光子のエネルギーに変換されます。この場合、根底には運動量とエネルギーの保存があり、対応する逆の動きを生み出します。
荷電粒子のいずれかが大きな運動エネルギーを持っている場合、他の粒子が生成される可能性があり、これは消滅プロセスの柔軟性を示しています。
陽子-反陽子消滅
陽子とその反粒子が接触したときの反応は、電子陽電子消滅ほど単純ではありません。陽子は3つの「価電子クォーク」と多数の「シークォーク」から構成される複合粒子です。この過程で、陽子のクォークが反クォークによって消滅し、その後、このグルーオンと残りのクォークおよび反クォークが複雑な再結合を起こし、一連の中間子（主にパイオンとカオン）が生成されます。これらの新しく生成された中間子は、不安定ではありますが、素粒子物理学の分野で公共の関心を集めています。
ヒッグス粒子の生成
2 つの核子間の衝突などの高エネルギー環境では、シー クォークとグルーオンが相互作用速度を支配し、反粒子が存在しない場合でもクォーク ペアの消滅や 2 つのグルーオンの「融合」が発生します。これらのプロセスは、待望のヒッグス粒子の生成に役立ちました。 2012 年、スイスのジュネーブにある CERN 研究所は、素粒子物理学における大きな進歩となるヒッグス粒子の発見を発表しました。
消滅のプロセスは、基礎的な科学研究において重要な役割を果たすだけでなく、科学者が宇宙の起源と発展を理解するのにも役立ちます。つまり、私たちの宇宙にはどれほどの謎があり、とらえどころのない粒子が存在するのでしょうか。相互作用は存在しますか？
