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Posted by ブクログ
今日は午前2時ごろ起きました。
今日の書評は「ニュートリノって何？」青野由利著。物理の書籍です。
私は私立文系。当然物理なんか迂遠でしたが、今となっちゃえば読んじゃう。
つまり、論理的なものの考え方ができるので、学生時代不可能だった物理の本の読解も出来るのだ。
というわけで、第一章のコピペブログをまたまたスタート！
まずニュートリノの概念を考え出したのが、古代ギリシャの哲学者デモクリトス。
彼は言った「万物を分解していくと、それ以上に分割できない一種類の粒子になる。この粒子が空間の中でくっついたり離れたりすることで、万物が生成したり消滅したりする」という説を唱えました。
この間考え方は19世紀末ごろどうやら正しいと分かりました。
物質は水素や酸素といった元素でできていることがわかり、元素は原子でできていることがわかり、原子は電子と原子核でできていることがわかりました。さらには原子核は陽子と中性子でできていることがわかりました。
ここでベータ崩壊する原子核の崩壊前と崩壊後のエネルギーを比べると、なぜか足し算や引き算があわないということでした。
元の原子核をA、変化した先の原子核をBとすれば、Aが電子を放出してBとなるのですから、おおざっぱに言えば、A→B+原子核となるはずです。すなわちAが持つエネルギーと、Bと電子が持つエネルギーを足し合わせたものとは、ひとしくなるはずです。
とことが、実際にはAよりもB+電子のエネルギーの方が小さかったのです。
そのままでは「エネルギー保存の法則」が成り立たないように見えてしまいます。
でも物理学ではそんなことはありません。この世界でエネルギーが「無」から生み出されることは決してありませんし、消えてなくなることもありません。
したがって、デンマークの物理学者ニールス・ボーアのように、「原子核ではエネルギー保存の法則が成り立っていないのではないか」と言い出す科学者さえいました。
一体なにがおきているのか？物理学者のウォルフガング・パウリが一つの仮説をひねり出しました。すなわち「消えたように見えるエネルギーは、未知の粒子が持ち逃げしているのだ。その粒子は、電荷をもたない中性の粒子で、とてもか軽い」というアイディアです。パウリはこの粒子を「ニュートロン」と名付けました。
その後、1934年物理学者のエリンコ・フェルミがベータ崩壊の新理論を立てた時、パウリは提案した未知の素粒子をそこに組み入れ、「ニュートロン」と名付けたのです。（その後これは「ニュートリノ」って呼ばれる）
ニュートリノは電気的に中性で、他のものとほとんど反応せずすり抜けていってしまう、とても小さな素粒子です。そう簡単には捕まえられないのですが、大量にあれば検出装置にひっかかる確率が増えると考えられたのです。
梶田隆章先生（2015年ノーベル物理学賞受賞）によるとニュートリノは「電子から電荷を取り除き、重さをほとんど取ったもの」「弱い相互作用しかしない」
つまり性質は電子によく似ているけれど、電気的に中性で、重さが桁違いに軽い粒子で、ほかの物質とほとんど反応しない、ということです。
これまでニュートリノとひとくくりにしてきましたが、ニュートリノには種類があることが今ではわかっています。電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノの3種類です。
3種類のうち電子ニュートリノの次に発見されたのはミューニュートリノでした。それは1952年米国のブルックヘブン国立研究所の加速器を使った実験で証明されました。
陽子加速器で陽子ビームをつくり、これを標的にあてるとパイ中間子ができ、このパイ中間子がミュー粒子とミューニュートリノに崩壊すると、という反応を観測したものでした。
標準理論が確立する1980年ごろには「ニュートリノは質量がゼロ」と考えられるようになっていました。なぜなら、そう考えると、さまざまなことがうまく説明できたからです。
すなわち、この世界に光の速度より速く飛ぶものはありません。光には質量がありません。もし高速で飛ぶ素粒子があったら、その素粒子には質量がないはずです。逆に質量があったら光速では飛べません。ニュートリノについては、光速で飛んでいると考えるとつじつまあう現象があったのです。
ところが、ニュートリノ振動という現象が確認されたことで「ニュートリノには質量があった」ということがわかり、標準理論にほころびを生じさせたのです。
ニュートリノ振動というのは、ある種類のニュートリノが空間を飛行している間に、別の種類のニュートリノに「変身」し、また元に戻る現象のことです。
たとえば、電子ニュートリノが飛んでいる間にミューニュートリノになり、またしばらくすると電子ニュートリノに戻るという「変身」を繰り返すのです。別の言い方をすると、ニュートリノの型があっちへいったりこっちへきたりと振動するのです。
もしニュートリノに質量がなかったら、こうした「変身」は起きません。質量があって変身がおきます。逆に、振動が見つかれば、ニュートリノは質量を持っていなくてはならないのです。
ニュートリノも粒子であると同時に、波の性質も持っています。もしニュートリノに質量があれば、その質量に応じた波の性質を持ちます。しかも量子力学の考えに従うと、3種類のニュートリノはそれぞれ3種類の質量に応じた波が重ねわさてってできている、と考えられます。
では、質量のあるニュートリノは飛行するとどんなことが起きるのか。ここでは、分かりやすくするために、電子型とミュー型の2種類で考えます。最初は「電子型」として観測されたニュートリノは、2つの異なる質量に応じた波の重ね合わせなので、飛んでいくうちに２つの波の間でずれが生じます。
もう一つ「なぜ、振動があるとニュートリノに質量があることになるのか」というの別の説明の仕方があります。
それは相対性理論です。相対性理論によれば、速いスピードで動くものはどんどん時間が遅くなり、光速に達すると時間が止まります。
一方、光速で移動できるのは、質量のないものだけです。そこでニュートリノ振動です。ニュートリノが時間を追って変身するということは、ニュートリノの時間は止まっていないということです。つまり「ニュートリノは変身する→光速に達していない→質量を持っている」という三段論法です
ニュートリノに質量があることがわかり、素粒子の標準理論にはほころびが生じました。では、素粒子の標準理論とはどういうものなのか説明します。
私たちの身の回りにある物質を、細かく分けていくと、分子になり、原子になります。水は水分子でできていて、水分子は水素原子と酸素原子でできているといった具合です。
昔は原子はこれ以上わけられない最小単位だと思われていましたが、やがて原子核と電子に分けられることがわかり、さらに原子核は陽子と中性子に分けられることがわかりました。
陽子と中性子は、さらに基本的な素粒子クォークでできているはず、ということが理論的に提案され、実験でもちゃんと見つかりました。電子はもう、これ以上わけられなく、クォークも同上であります。
ここから電子の仲間に「電子、ミュー粒子、タウ粒子」の3種類があることがわかりました。ミュー粒子は電子によく似ていますが、重さが200倍くらいあります。タウ粒子はさらに重い粒子です。
ニュートリノは原子を構成しているわけではありません。宇宙を飛び回っている素粒子で、宇宙の始まりのビッグバンの時に、すでに誕生していたと考えられます。
それだけでなく、さまざまな場面で今も生成されています。たとえば、太陽より重い恒星が進化の最後に起こす超新星爆発、原子炉の中の反応、太陽の輝きを生み出している核融合、地球に降り注ぐ放射線が大気中の窒素や酸素の原子核にぶつかると、結果としてニュートリノが生まれます。
ニュートリノは、宇宙に存在する素粒子の中では、光子に次いで、2番目に多いそうですからその存在自体は珍しくなくなんともない、ということになるのでしょう。むしろ宇宙はニュートリノで満ちているといってもよさそうです。
ただし、ニュートリノは光速に近いスピードで飛び回り、どんなものでもすり抜けてしまうことです。私たちの身体には、1秒間に何兆個ものニュートリノが通り抜けていっています。
地球に降り注ぐニュートリノも大量にありますが、その大多数は太陽からやってくる「太陽ニュートリノ」です。その数は1平方センチメートルあたり、毎秒660個に上ります。
梶田さんらが発見したのは大気で生じたミューニュートリノが飛行中にタウ型に変身する現象でした。そして2015年のノーベル物理学賞につながったニュートリノ振動発見の最初のきっかけは、この太陽ニュートリノがもたらした大きな「謎」でした。
以上本書の第一章をかいつまんで紹介したが、物理に詳しい人今「ププッと」していますね。そうですー私も何とか分かったのは第一章だけ、二章以降はギブアップ。でも面白かったです。これを読んで興味を持たれた方、ぜひ物理の政界にズズッと入って欲しい。
Posted by ブクログ
ニュートリノって何？素朴な疑問に一生懸命平易に判りやすく噛み砕いて説明してくれる科学入門本。
面白いよ、確かに。理解出来れば。勿論興味がある人しか手に取らないでしょうからね。
でも高校物理の授業が好きだった人にしか面白みは伝わらないんじゃないかな～。
私は生物よりは化学が、化学よりは物理が好きだった類いです。（科学はこーゆー分け方でした。今はどーなってるんだろう？）
それでも難しい。もうちょっと理解出来たら、もっと面白く読めたでしょう。
ただ以前読んだ「フェルマーの最終定理」は数学が理解出来なくても大変面白い読み物でした。モノは描きよう、とも思いますが。
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