私の好きな粒子:ミューオン

1900年、電子と放射能が発見された直後、ケルビン卿は有名な発言をしました:

There is nothing new to be discovered in physics. 残るは、より精密な測定だけだ」

彼は、恐ろしいほど間違っていることを証明することになります。 原子核、そしてその構成要素である陽子と中性子の発見は、世界が何からできているかについての我々の見方を一変させた。 世界の理解は古典から量子へと変わり、1933年まで量子力学は実験的な観測結果を説明することに成功しました。 そして、反物質の存在を予言するディラック方程式が完成し、その直後に反電子(陽電子)の発見が確認されたのである。 しかし、物理学者たちの自画自賛も束の間であった。 その裏では、すべてがうまくいっていなかったのだ。 量子力学は、宇宙から1分間に1万個/m2の割合で地球に降り注いでくる粒子の説明に苦慮していた。 この「宇宙線」粒子の正体を解明しようと、物理学の権威たちがこぞって研究を進めていた。 当時は、電子、陽子、中性子、光子、そしてまだ直接検出されていないニュートリノしか知られていなかったからだ。 この(誤った)推測の問題は、地球に降り注ぐ「電子」には2つの種類があるように思われたことである。 当初、量子力学では、電子がなぜこのような振る舞いをするのか説明できませんでしたが、徐々に理論が修正されていきました(特に、ベーテ、カールソン、ハイトラー、オッペンハイマーによる)。 彼らは、タイプ1(鉛のシャワーを浴びる「電子」)を説明する方法を見つけたが、残念ながら、タイプ2の貫通粒子についての説明は見つからなかった。 理論物理学者たちは、それまで大きな成功を収めていたにもかかわらず、絶望に打ちひしがれていた。 オッペンハイマーは、常に状況に重厚さを加え、グラスを半分空にするのが好きな人物で、1934年に兄に宛てて次のような手紙を書いた。 ニコチンが量子力学を刺激した」

ご存知のように、理論物理学は、ニュートリノの亡霊、宇宙線は陽子であるというあらゆる証拠に反するコペンハーゲン的確信、ボルンの絶対に量子化できない場の理論など、さまざまな問題を抱えています。 陽電子の発散の難しさ、そして厳密な計算をすることがまったく不可能であるという、とんでもない状況です」

すぐに、貫通粒子が陽子であるという考えは退けられ、物理学界は厳しい選択を迫られた。 新しい粒子か、量子力学に絶望的な欠陥があることを認めるか、です。 一時期(今では都合よく見過ごされているが)、彼らはこの問題をごまかし、「赤と緑の電子」(一方は吸収され、他方は透過する)の可能性について、声少なに話し始めた。

ありがたいことに、ヨーロッパとアメリカのチームによる新しい実験技術の開発に刺激されて、透過粒子の実験観察はより正確になった。 このような実験的な革新と理論の新しいブレークスルーの組み合わせにより、「透過粒子は電子のようなものだが、かなり重い」という逃れようのない真実を導き出す解釈が可能になったのです。 科学の世界ではよくあることだが、「ユリイカ」のような瞬間的な発見があったわけではなく、理論的にも実験的にも多くの人々の仕事を通じて、徐々に新しいパラダイムの夜明けが訪れたのである。 アンダーソンの功績は大きい(陽電子を観測したことですでにノーベル賞を受賞していたので、売り込みやすかったのだろう)。しかし、ベーテ、ハイトラー、ロッシ、ネッデルマイヤー、ストリート、スティーブンソン、カールソン、オッペンハイマーなど、多くのドラマチックな人物がおり、彼らの貢献なしには、「メソトロン」は発見されなかったであろう。 もしミューオンがただの重い電子やより高エネルギーの電子であれば、電子と光子に崩壊するはずですが、これは観測されませんでしたから。 ミューオンは独自の粒子であるように見え、電子に次いで2番目に発見された基本粒子(他の粒子でできていないように見える粒子)であることがわかりました。

Muons – I felt nowt.

毎秒数百個のミューオンがあなたの頭の中を通過しています。 幸いなことに、そのエネルギーは低く(質量も大きい)、無害です。 これらのミューオンは、宇宙線(主に星が吐き出す陽子)と大気圏上層の原子との衝突から発生します。 発見後、地球に近づくにつれてこれらのミューオンの数が減少することが観測され、電子のような安定した粒子ではなく、少し飛び抜けた粒子であり、約200万分の1秒で他のもっと身近な粒子(電子とニュートリノ)に崩壊すると考えるのが自然(かつ正しい)結論でした。 この時点では、電子の質量がどれくらいかわかっており、ニュートリノは無質量と仮定されていたので、ミューオンの崩壊による電子の軌道とエネルギーを見る(あるいはミューオンが崩壊するまでの時間を測る)ことによって、ミューオンが少しポーカーであることが明らかになったのです。

ミューオンは偉大な興行師ではなく、むしろ限られたレパートリーを持ち、おそらくXファクターに一瞬だけ出演するのに最適な存在なのです。 過去75年間、私たちはミューオンが2つのことをするのを観察してきました。それは、反応してニュートリノを生成するか、崩壊して電子と2つのニュートリノを生成するか、です。 しかし、私たちはミューオンが最後に笑うのは、二枚舌以上のものであると信じています。 ミューオンはLHCをはるかに超えるエネルギースケールの物理を理解するのに役立つ何かを持っているのです。 つまり,ビッグバンで作られた反物質の大部分は,宇宙の始まりにおいて,お茶を淹れるのにかかる時間でどのように掘り起こされたのか(最近ではダイソン化されていると思われます),という物理学における最も長い問題の1つを説明する助けになると信じているのです。

私たちは、この新しいタイプの相互作用を観測するために、比類ない強度のミューオンビームを生成することを計画しています(これについては、将来説明します)。 実際、少し低迷していた時期がありましたが、今はミューオンにとってエキサイティングな時期で、その透過性と磁性の特性は素粒子物理学以外の様々な応用に利用されています。 1960年代にはピラミッドの隠し部屋を探すためにX線が使われました。最近の荷電粒子検出器の進歩により、宇宙線ミューオンを使って非常に大きな体積(海上コンテナ、貨物車両、駅など)を精密に画像化し、爆弾や核分裂物質、夜間に爆発するものなどを検出する可能性が出てきています。 ミュオンは、エレクトロニクス産業用の新しい半導体や、浮遊列車(ノーザンラインでは厄介かもしれません)からロスレス送電まで多様な用途を持つ室温超伝導体を提供する可能性を持つ新しい化合物材料の特性を研究するために使用されています。 最近、イギリスのISIS施設で作られたミューオンのビームは、”スピンアイス “の “磁気 “の現象を観察するために使われました。

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