油断するなここは戦場だ

4次元目に住む〜電子顕微鏡とLHC

どこかに集中講義にいうと、素粒子の専門家むけじゃない話もしてください、といわれる。そして,そういう時はすごく困る。素粒子の研究者がLHC に向けてどういう素粒子の模型(見つかってない素粒子にどういうものがあって、そういうダイナミクスを持ってるかという予想)を研究してるか, っていう話をしないといけないからだ。

素粒子の模型の中には「空間は実は3次元じゃなくて4次元(あるいは9次元とか10次元とか)でぇ」、という
ものがあって、多くの人がそれ研究している。分野全体の話をするときには当然こういう模型の話もしないといけないわけだけど、気まじめな物性物理の研究者は「底知れない不信感」をいだいたりするようで、時には「それは物理なんですか、SF なんですか」と聞いてくる正直な人もいる。

このような状況を打開すべく編み出した手法は、「今知られている素粒子の性質について我々がきちんと測定していて、測定と理論的な予言がぴったいあっている」こと、を始めにきちんと触れる、ということだ。素粒子模型というのは実験データと矛盾していてはいけないし、すべての素粒子のプロセスをきちんと説明できるものでなければならない。そして新しい理論を提案するときは、今のデータを説明できるだけじゃなくて、将来の実験できちんと「検証」できるものがよい。それが我々のゲームのルールになっている。

じゃあ、空間が実は4次元、という我々の日常の感覚とまるで違うことが、どうして今われわれの持っている実験データと矛盾しないのだろうか?

これには実は量子力学が関係している。

ものの大きさを計ろうとするときには、光や物質といった粒子をあてないといけない。光であれば、その波長が調べられる空間の最小の大きさを決めている。波長は物差しの一番小さな目盛りで、それよりも短い距離の情報は、平均化されてしまうのだ。例えば、可視光の波長でみる光学顕微鏡では、どんなに短くても O(100) nm ( ~10^-4 mm)をみるのが限界で、それより短い距離はどんなに立派なレンズを使ってもみることはできない。つまり4次元目の空間が存在するかどうか可視光で計ろうと思ったら、 4次元目の大きさは100nm より大きくないとわからない、ということになる。

光だけではなく、我々を構成している電子や陽子といった粒子も、すべて波としての性質も同時にもっている。これが量子力学のいうところだ。粒子が波であるということは、今ではとてもきれいな実験が実証できるようになった。たとえばこのリンク先では、電子を2つのスリットに向けて発射すると右のスリットを通ったものと左のスリットを通った電子が波として干渉してできる縞が表れるのを動画でみることができる。 (http://www.hitachi.co.jp/rd/research/em/doubleslit.html) 電子は一個一個うちだされ、画面の上にあらわれる。一個一個の粒子は点だ。でも、電子をなんども打ち出していくと波が干渉したことによる縞が浮かびあがってくる。

電子も波だという性質を利用するのが電子顕微鏡。電子顕微鏡は大掛かりな装置だけど、そのてっぺんには電子を加速する加速器がついていて、電子を可視光よりも高いエネルギーに加速して、見たいものにぶつける。「波長はエネルギーの逆数に比例する」という量子力学の性質があって、粒子を高いエネルギーに加速してぶつければ、空間のより細かい構造が見えてくる。最新の電子顕微鏡は100 keV=10^5 eV くらいのエネルギーをもった電子を使っている。(可視光はだいたい 1eV のエネルギーをもっている。)

LHC 実験では陽子を 7TeV= 7x10^12eV という高いエネルギーまで加速する. 可視光の波長の1/10^12 の空間構造が見える装置、ということになる。もし4次元目の空間の大きさがそれよりも大きければ、加速された陽子の中にはいっているクオークやグルオンが4次元目の空間に入り込んで、その空間に特異的な反応をする。LHC 実験はわれわれが感知することができない空間構造の探索をする装置としても期待されているのだ。
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by mihoko_nojiri | 2010-07-24 00:45 | 物理

physics at LHC
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