加速器図鑑 陽電子と陽子

コラム

いきなり質問です。次の文章は正しいでしょうか?「ILC では電子と陽子を衝突させる」

答えは「間違い」です。ILC では電子と陽電子を衝突させます。一方 欧州合同原子核研究機関( CERN) の大型ハドロンコライダー(LHC) では陽子と陽子を衝突させます。

陽電子と陽子は文字にするとたった一字違いで、混同しやすくて困るのですが、とても違うものです。左側の図をみてください。水素原 子が描かれています。水素原子は一番簡単な原子です。陽子1ヶを原子核とし、その周りを1ヶの電子が廻っています*1。陽子はプラスの電気、電子はマイナスの電気を持っています。電子は電気の力で陽子に引きつけられ、どこかへ飛んで行く事なく陽子の周りを廻り続けます。陽子は電子の約 2000 倍の重さ*2 を持っていますので、まさに陽子が中心にドーンといて、その周りを電子が廻っているのですね。陽子は3つのクォークから出来ている複合粒子です。素粒子ではありません。一方、電子は今のところ内部の構造はないと考えられています。つまり素粒子です。

陽子も電子も我々の身の周りにある物質を形作っている粒子です。では陽電子はどうでしょうか。陽電子は反粒子(反物質)です(右側の図)。陽電子は電子と同じ重さ*2 を持ち、電気が反対、つまりプラスの電気持つ、電子の反粒子です。陽電子を反電子と呼べば陽子との混同も無いのですが、発見されて以来ずっと陽電子(正の電気を持つ電子*3 の意)と呼ばれています。

我々も、宇宙全体の星々もみんな物質で出来ています。陽電子のような反粒子(反物質)は基本的には身の周りにありません。宇宙から振ってきた宇宙線(高エネルギーの粒子)が大気の分子と衝突して反応し陽電子を作る事がありますが、その陽電子はすぐに物質中の電子と出 あって対消滅し高エネルギーの光になって消えてしまいます。陽電子は非日常的な存在と言えます。

ILC では陽電子を大量に作り出して*4 高エネルギーに加速し、同じく高エネルギーに加速された電子と正面衝突させて実験を行ないます。ここで「電子も陽電子も素粒子である」、「電子と陽電子は粒子・反粒子の関係にある」という点が生きてきます。どちらも素粒子で、かつ粒子と反粒子であるため、電子と陽電子は対消滅して純粋なエネルギーのかたまりになります。そこからどんな粒子でも作り出せます*5。また余計な物が出る事なく、極めてクリアな実験が出来るのです。

*1) 厳密には量子力学的な意味で廻っている。天体の公転運動と類似しているが同じではない。
*2) 正確には質量。
*3)正(+)の電気の事を” 陽” で表す。陽極(+の極)、陰極(-の極)等。
*4)ILC 通信 55 号(2010 年12 月号)の巻頭記事に陽電子の作り方が簡単に解説されています。
*5)エネルギーの許す範囲で