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10年以上におよぶ研究の末、電子の正確な形が明らかに 46

ストーリー by headless
球形 部門より

あるAnonymous Coward 曰く、

英国インペリアル・カレッジ・ロンドンの科学者たちが従来よりも正確な方法で電子の形状を測定し、電子がほぼ完全な球形であることを突き止めたそうだ。研究成果は5月26日号の科学誌Natureに発表された(ScienceDailyの記事Nature Newsの記事本家/.)。

10年以上にわたって続けられた研究の結果、電子の真球に対する誤差は0.000000000000000000000000001cm以下なのだという。電子を太陽系の大きさに拡大しても、誤差は髪の毛の太さ以内に収まる計算になる。電子の形状にゆがみがあれば動きに独特の揺れが発生するため、それを含む分子も変形する。精密なレーザーを使用してフッ化イッテルビウム分子内の電子の動きを測定したところ、揺れは見られなかったとのこと。

研究者たちはさらに正確な測定を進めており、この成果は反物質の研究にとって重要なのだという。物質と反物質とのわずかな動きの違いを観察することにより、ビッグバンの際に物質と同じぐらい生成されたと考えられる反物質が消失してしまった原因を解明する手掛かりになるかもしれないとのことだ。

この議論は賞味期限が切れたので、アーカイブ化されています。 新たにコメントを付けることはできません。
  • by phason (22006) <mail@molecularscience.jp> on 2011年05月28日 11時50分 (#1960483) 日記

    先日日記 [srad.jp]にも書いたのでちょっと補足.

    素核の理論によれば,素粒子等には電気双極子能率(EDM)が存在するのではないか,と考えられています.要は電気的な双極子モーメントですね.
    これは電子や,中性子,クォークなどにも存在すると考えられています.電子やクォークでは元々の電荷にプラスして,僅かながら電荷の偏りが生じて,電子の「上下」にδ+とδ-が生じる,というものです.中性子だと,全体としては中性だけど一方がちょっとプラス,他方がちょっとマイナスになる,という.
    #「上下」の方向は,その素粒子のスピンによって決まります.

    この微妙に生じた双極子を,「丸くない成分」と表現しているわけです.
    そしてこのEDM,理論によって存在は予言されているのですが,見つかると嬉しい点が2つあります.

    ・嬉しい点1
    これがもし存在すると,時間反転対称性の破れの直接観測になります.
    我々の知っている方程式は基本的には時間反転に対称(方程式の時間変数tを-tにする変換を行っても方程式の形は同じ形状となり,物理現象としては許されるものしか生じない)です.

    さて,世の中にはCPT対称性というものがあり,方程式において電荷反転(e → -e),パリティ反転(ある一方向の座標x → -x),時間反転(t → -t)を同時に行うと,方程式の形は同じになる,というものが知られています.これは通常の方程式よりもうちょっと本質的な部分から出てくるので,きっと将来もっと良い理論が出てきても破れていない対称性だろう,と考えられています.
    ところが,実はCP対称性(CTP対称に対し,時間だけはそのままにしたもの)は破れていることが発見されています.つまり,CPだけを反転させると,現実世界では成立しない現象が(ごく一部)出てくる,ということです.
    CPTを反転させると現実と全く同じ現象が記述でき(と信じられていて),CPだけの反転では現実と異なる現象が現れると言うことは,T対称性は絶対に破れていないといけません.つまり,時間を反転できない物理現象が何か存在しないといけない,ということになります.

    マクロな領域ではエントロピー増大など不可逆な現象は知られていますが,個々の粒子に関する相対論やら量子論の理論は時間に対して対称です.もしT対称性の破れが発見できれば,時間がどうして一方向に流れているのか,とか,どうして世界には反粒子より通常粒子の方が圧倒的に多いのか,などの疑問の答え(に繋がるもの)が見つかるのではないか,と期待されています.

    さて,ちょっと話を戻しますが,
    EDMが素粒子に存在するとすると,その分極の方向はスピンによって決まっていると考えられています.例えば,スピンのup方向が必ずδ+になる,というような感じです.
    さて,時間を反転すると,スピンの方向は反転します(自転のような物なので,時間を反転すると逆回転になる).
    その一方,電気的な双極子(電荷の分布)は時間を反転しても変化しません.例えば右に正電荷,左に負電荷がある系のフィルムを逆回しにしても,右に正電荷があることは変化しない,ということに対応します.
    そうすると,スピンの向きは反転するのに,EDMの向きは反転しないことになります.時間反転を行う前はスピンのup方向が必ずδ+と決まっていたのに,時間反転操作を行うと(スピンだけが反転するので)スピンのup方向が必ずδ-となってしまう,つまり時間反転の元では物理現象が異なる(=時間反転対称性が破れている)事の証明になるわけです.

    ・嬉しい点2
    さて,このEDMですが,現在の素核の理論として確立している標準模型においては,非常に小さい値が予言されています.具体的には現在観測できる量の10-20ほど下です.つまり検出は不可能.
    ところが標準模型を超える理論,超対称性理論や弦理論の多くでは,(それらの理論で出てくる新粒子との干渉により)もっと遙かに大きな値(10桁以上)が予想されています.つまり,現在の検出限界ギリギリに引っかかってくることになります.
    そこで,EDM測定の精度を上げていくと,

    (a)大きなEDMが発見され標準模型の破綻が明らかになる.新理論の必要性が実験的に出てきたことになる.
    (b)EDMが発見されず,大きなEDMを予想していた理論から破棄されていく.

    という何れかが起こってきます.素核の物理の人的にはaの方が嬉しいのでしょうが,理論に制限がつけられるという意味ではbも捨てた物ではありません.

    というわけで,EDM測定の精度を上げていく,という実験の一つが今回報告されている物です.
    結果は,ラフに言って現状で今までの半分(までは行かないけど)程度を検出できるまで測定精度を上げたけど,まだEDMの検出は出来なかった(まだまだ丸かった)よ,と.今後はもっと改良して精度を上げてEDMを追い込んでいくようですが.

    • このあたりの研究って日本ではどこでやってるんですか?
      KEKあたり?

      理論物理はわけわかりません。
      親コメント
      • by phason (22006) <mail@molecularscience.jp> on 2011年05月29日 11時40分 (#1961020) 日記

        >このあたりの研究って日本ではどこでやってるんですか?

        実験でしたら,原子分光,分子分光とか,原子時計周りの技術に近いので,結構いろいろな大学でやられています.
        確か東大,東工大,阪大あたりはやっていた覚えが.他にも多数あるはずです.
        単純に言ってしまえば,原子/分子を発生させて,レーザーできっちり励起して,rfの電場/磁場がきれいにかけられれば出来るので,そんなに大がかりな装置は必要ないと思います.真空チャンバー一個の中で完結するというか.
        #といっても,調整とか安定性を確保するのが大変で経験が必要ですから,やろうと思ってすぐ出来るものでもないでしょうが.

        理論になると,それこそ素核の理論をがりがりやってる人がどこにいるか,という話になるので,こちらも結構あちこちにいらっしゃるんじゃないかと.

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    • Re: (スコア:0, オフトピック)

      by Anonymous Coward

      すいません、良かったら、3行か、5行くらいにまとめてもらえないでしょうか・・・

      • 3……5行か (スコア:5, 参考になる)

        by phason (22006) <mail@molecularscience.jp> on 2011年05月28日 13時36分 (#1960537) 日記

        単一電子の電気双極子を探したけど今の測定限界だと見つからず丸かった.
        見つかれば時間の進む向きとか反物質消滅の謎を解くきっかけになった(かもしれない)のに残念.
        まだまだ探すよ!

        このまま精度上げていっても見つからないと万物理論(を目指す理論)のほとんどが不可になって理論家涙目.
        まあそのうち何とかなるだろう.

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      • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 13時32分 (#1960532)

        電子が球=電子に非対称構造がない=双極子成分がないことを理論予測に迫るレベルで確認したよ
        電子に『時間対称性の破れ』という現在の理論を破綻させる現象が起きるかどうかこの実験方法で分かるかもしれないよ
        破れの大きさかその上限を観測できれば、たくさんある物理の新理論を大きく絞り込めるよ

        #つまりこの実験に予算をくれれば間違った予測を出す新理論をやってる研究者のクビをきれるよ!という(違

        親コメント
      • 電気双極子モーメントに似た「EDM」が存在すると、電子は丸くなくなり、また、時間反転対称性が破れる。
        「標準模型」を含め、多くの理論ではEDMの存在を仮定しているが、その大きさは理論により異なる。

        「CPT対称性」が正しいならば、時間反転対称性の破れが必要なのだが、丸くなかったらそれを示せる。
        「標準模型」では、今の精度でもまだ十分丸いはず。丸くなかったら「標準模型」の破綻を示せる。
        逆に、今の精度でもまだ丸いことを示すと、もう丸くなくなってるはずの理論の破綻を示せる。

        --
        1を聞いて0を知れ!
        親コメント
        • 個人的には、CPT対称性が破れた方が面白そうな気がする。
          # やっぱり自分は性格が悪いわ

          --
          それでも私は3DSを続けるよ。それでも私は3DSを続けるよ。それでも私は3DSを続けるよ。それでも私は3DSを続けるよ。それでも私は
          親コメント
          • by Anonymous Coward

            >CPT対称性が破れた方が面白そうな気がする。

            確かに。
            そうなると今検討されてる理論も軒並み修正とか廃棄を余儀なくされるんで凄いことになりそう。

      • by Anonymous Coward on 2011年05月29日 13時11分 (#1961055)

        それって某巨大掲示板感覚なのではないかと思うが,その感覚と不可分なのが,“ソースは?”とか
        いう,込み入ったこと,当人の力量を超える情報の提示はリンク先で示せとのお約束事。

        ここでは情緒的な分り易さよりも,論理的でかつ必要に応じて理論的な分り易さを提供する方がずっと
        好ましいと思う。

        そもそも皆さん,長い文章を日々書いたり,読んだりしている訳だし,300行から500行だと少し構えて
        しまうが,数10行程度だったら,全然問題ないのでは?

        最後になるが,phasonさんの解説はいつも分り易くてとても有難い。

        親コメント
  • by BlueRain (37857) on 2011年05月28日 18時43分 (#1960701)
    「イッテルビウム分子」という名前が信憑性を著しく下げている気がする。
  • by nabeta (16694) on 2011年05月28日 11時06分 (#1960469) 日記
    そんな研究をやっていて仕分けされなかったのだろうか
    • by Takahiro_Chou (21972) on 2011年05月28日 13時27分 (#1960529) 日記

      そんな研究をやっていて仕分けされなかったのだろうか

      京速スパコンと違って、いっしょにやってた民間企業がトンズラしなかった、とか。

      親コメント
    • by Anonymous Coward

      日本じゃなきゃ平気でしょ。

      • Re:10年以上も (スコア:1, 参考になる)

        by Anonymous Coward on 2011年05月28日 11時50分 (#1960484)

        日本でもやってるよ。

        親コメント
        • by Anonymous Coward
          やってることがわかったとたんに仕分けされるから、ほら
          • Re:10年以上も (スコア:1, 参考になる)

            by Anonymous Coward on 2011年05月28日 12時20分 (#1960489)

            大型装置関連などの規模プロジェクト以外、つまり通常の科研費とかは、誰に配るかの査定を研究者コミュニティ自体がやってるから仕分けとか関係ないんですよね。
            科研費全体のパイが減るかどうかは政治的に決まるけど、パイの分配は内輪でごたごたやってるんで。
            今回の測定とかも特に大型装置は要りませんし。

            親コメント
  • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 11時39分 (#1960481)
    電子って存在確率の雲みたいになってるんじゃなかったっけ?
    • 雲のようになっているのは存在確率であって,一個の粒子である電子そのものは点粒子として扱われます(弦理論だと有限なサイズを持つ弦が基本になるので大きさが出てきますが).

      同様に,例えばフラーレンの分子なども,量子論的な存在確率の波動としては広い空間中に広がったものが実際に作成できますが,サイズを確定しようという測定を行うとサイズとしてはもっと小さなもの(実際の分子の大きさ)が得られます.

      親コメント
      • 個人的には形が分かったってことより、有限の大きさを持つと観測された方が
        意外というか驚きというか古典理論の終焉を見せられた気分です。
        --
        如何なる内容であろうとACでの書き込みは一切無視します。
        親コメント
        • >有限の大きさを持つと観測された方が

          それは観測されていません.
          今回の実験で測定されたのは,「電子一個に電気双極子分極があるかどうか?」です.
          #双極子を持つことを,「丸くない」(一軸方向に分極してるから)と表現しています.

          で,測定誤差の範囲内では検出されていません.
          「ここまでの測定だと分極はなかったね」が結論ですので,大きさに関しては特には.

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  • by SteppingWind (2654) on 2011年05月28日 11時53分 (#1960485)

    普通に原子の軌道上にある電子雲とかのイメージだと, 量子波束としての電子しか思い浮かべられないのですが, 今回の研究ではどういうものを形としているのでしょうか? 存在確率が一定以上の位置の空間上の分布とかかな?

    # 教えてえらい人

  • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 19時08分 (#1960717)

    「完全な球形」というより、「完全な球対称」といったほうが個人的にはしっくり来るかな
    #もちろん測定できる範囲内で・・・が頭につくんでしょうけど

  • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 11時13分 (#1960471)
    なんで単位がcm?
    • Re:cm? (スコア:1, 興味深い)

      by Anonymous Coward on 2011年05月28日 12時53分 (#1960503)
      普通、サイズはcmで表しませんか?

      え、でんこちゃんの正確な3サイズが判ったって話でしょ?
      親コメント
    • by Anonymous Coward
      cm でも構わんけど、10の-28乗cm とでも書いてほしいな。
      • Re:cm? (スコア:1, おもしろおかしい)

        by Anonymous Coward on 2011年05月28日 13時34分 (#1960534)

        > 10の-28乗cm とでも書いてほしいな

        それは一億万円みたいで気持ち悪いから、10の-26乗mにしておいてください。

        親コメント
        • by Anonymous Coward
          1万倍に大きくなってるよ! 10の-30乗mでしょ。
    • by Anonymous Coward

      真球度で表現されないと直感的じゃないよね。

  • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 13時06分 (#1960508)

    要するに誤差は1/1027cm以下、
    あるいは1×10-29m以下、
    または一穣分の1mm以下、
    もしくは百涅槃寂静ミクロン以下ってことね。

    やっぱわかんね。

  • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 13時38分 (#1960538)
    10年ほど前、俺が大学生だったときに教わったのは電子は大きさがわからないということ。
    これこれ以下だとはわかっていた(これこれがどのサイズだったかはさすがに覚えてない)らしい。
    たった10年の間に大きさどころか形までわかる時代になっていたんだな。
  • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 13時40分 (#1960542)
    レーザーって、電磁場つまり電子のゆらぎじゃないの? 電子で電子を観測できるの? おしえてちょ
    • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 13時53分 (#1960551)

      >電磁場つまり電子のゆらぎじゃないの?

      電磁場は光子。電子の揺らぎではない。
      (電子を揺することも出来るけど)

      今回の実験は、レーザーは分子をある特定の量子状態にセッティングするのと、最終段階での状態検出(確か)に使われてる。
      YbFの全スピン(核スピン+電子スピン)をレーザーである特定の状態にして、そこに電場/磁場を加えることでスピンの歳差運動を引き起こす。
      もし電子が分極を持てば、その歳差運動が影響を受けて、回転周期が分極がないとした場合の理論値からずれる。それを検出しようとしたけど、統計的に有意なズレは無かった=その測定精度の範囲内では分極がない、ということがわかったという話。

      親コメント
      • by Anonymous Coward
        スピンは古典的な回転とはまったく異なる概念だと思ってたけど歳差運動すら起こすようなものなんだ…。
        • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 18時47分 (#1960706)

          >歳差運動すら起こすようなものなんだ…。

          離散的なことを除けば、古典的な自転に凄くよく似てます。
          スピンの3軸(x,y,z)のうち決まった値をとれるのは1軸だけなので(1つを決めると残りには不確定性が効く)、z成分を固定してしまうと、x成分とy成分は混合状態を取ります。で、その混ざり方が時間とともに変化するのが古典で言う歳差運動に相当します(z軸成分が固定で、xy平面内で成分が変動する)。(x,y)成分が(sin(ωt),cos(ωt))と書けるような感じで。

          関連して、スピンエコーという現象があってみたり。沢山あるスピンを一方向(z方向)に揃えてから90度パルスで倒す(x方向を向ける)。そうするとxy平面内でぐるぐる歳差運動するんですが、周囲の相互作用の微妙な違いで歳差運動の周期が微妙に異なるためスピンの集団はだんだん位相がずれてくる。
          しばらく経ってから今度は180度パルスで回転方向を180度反転させると、同じ時間だけ経過するとちょうど全スピンが元の方向(x方向)にぴったり揃う、というものです。相互作用の違いによる周期の違いが、行きと帰りで同じ量のためキャンセルアウトされるわけです。NMRの測定などで使うことがあります。
          スピンエコーはエントロピーとの絡みでも面白かったりします(ばらばらな、エントロピーの高い状態になったスピン集団が自発的に元の揃った低エントロピー状態になると見なせるため)。

          親コメント
          • by Anonymous Coward
            > 離散的なことを除けば、古典的な自転に凄くよく似てます。

            大学の教養での量子力学は古典力学の量子化という形で習ったわけだが、これってたまたま一致するわけ?
            それとも何か深淵な理由があったりするの?
            • by Anonymous Coward

              スピンの場合は偶然です。自転運動を量子化したわけではないので。
              何せ粒子のサイズをゼロとしてるので、古典的には自転の角運動量はゼロにならないといけません。

              実際、プランク定数hをゼロに持って行く古典極限ではスピンの角運動量はゼロになります。スピンの場合は量子数の上限が決まってしまっているんでどうやっても角運動量はゼロになってしまう。

              一方、軌道角運動量の方は量子数の高い方に限界がないので(主量子数も一緒に上げる必要がありますが)、hを小さくしていっても、それ相応に軌道角運動量の量子数を大きくしていけば有限の角運動量が実現できます。だから軌道運動の角運動量は古典力学でも存在できます。

              • by Anonymous Coward

                >スピンの場合は偶然です。

                一致してないのに、それが偶然なの?

              • by Anonymous Coward

                自転に「似た性質がある」のが偶然です。
                #一致してるなら偶然ではなくそれ相応の理由がある必然。

  • by Anonymous Coward on 2011年05月28日 18時33分 (#1960691)

    電子の真球に対する誤差は0.000000000000000000000000001cm以下

    まず「電子の直径が何cmなのか」から語ってくれないと、どのくらい真球に近いのかわかりません…

    • by Anonymous Coward

      誤差をcmで書いているんだから、1cmに決まってるだろ(嘘です。ごめんなさい><)
      #AC

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アレゲはアレゲを呼ぶ -- ある傍観者

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