質問(事項)と反物質の違い

物質と反物質の重要な違いは、物質と反物質が逆の電荷を持っていることです...。

物質と反物質の重要な違いは、物質と反物質が逆の電荷を持っていることです。

この宇宙は物質が支配している。惑星や星、人間といったものは物質でできていますが、私たちが容易に検出できない暗黒物質や暗黒エネルギーも存在します。しかし、科学者たちは、物質が2つ1組で現れることを発見したのです。つまり、すべての物質には、電荷以外の性質が同じである反物質が存在するのだ。例えば、陽子は正の電荷を持ち、反陽子は負の電荷を持つ。しかし、質量などの性質は同じである。

カタログ

1. 概要と主な違い 2. 方法 3. 反物質とは 4. 横並び比較 - 物質と反物質を表形式で 5. まとめ

質問(事項)は何ですか？

物質とは、質量と体積を持つあらゆる物質のことである。物質は原子でできています。原子は素粒子でできています。しかし、私たちは通常、原子を物質の基本単位と考えています。物質という言葉には、光子のような質量のない粒子は含まれない。さらに、光や音などのエネルギー現象は物質とはみなされない。物質は、固相、液相、気相という異なる相で存在することができます。しかし、物質にはもう一つの相があり、私たちはそれをプラズマ状態と呼んでいます。プラズマ状態には、原子、イオン、自由電子があり、原子から分離してイオンを形成している。

原子は、陽子、中性子、その他の素粒子を含む原子核と、それを取り囲む電子の雲から構成されています。しかし、現代の量子物理学では、原子は粒子としても波動としても振る舞うことができると考えられており、これを「波動・粒子二元性」と呼んでいる。

図01：陽子のクォーク構造

原子や陽子・中性子・電子のほか、レプトン・クォークという言葉で物質を定義することもできます。これらは、物質の基本的な粒子である。この定義によれば、レプトンとクォークで構成されるものが通常の物質である。したがって、物質とは、反レプトンと反クォークを含まないものである。レプトンとクォークが結合して原子ができる。原子が結合して分子ができる。原子や分子は物質と呼ぶことができる。しかし、電子はレプトンであり、陽子や中性子はクォーク粒子で構成されている。したがって、これらの定義はすべて、物質とは質量と体積を持つものであり、反物質ではない、という考え方につながる。

反物質（アンチマター）は何ですか？

反物質は、物質の形成に寄与する反粒子を含む物質である。つまり、反物質は物質の対極にあるものなのだ。例えば、陽子と反陽子は、それぞれ物質と反物質のペアである。物質と反物質のペアは、質量は同じだが電荷が反対である。陽子は正の電荷を持ち、反陽子は負の電荷を持つ。

図02：陽電子のクラウドチャンバー写真

物質と反物質が衝突すると、相互に消滅する。つまり、物質も反物質も、同じエネルギーの他の粒子に変換される。消滅はガンマ線のような強い光子、ニュートリノ、その他多くの粒子・反粒子のペアを生成することができます。しかし、エネルギーの大部分は電離放射線の形で放出される。

物質と同様に、反物質の粒子もそれぞれの粒子と結合して反物質を形成することができる。例えば、陽電子は電子の反粒子、反陽子は陽子の反粒子で、この2つの反粒子が結合して反水素原子を作ることができる。物質と区別するために、粒子記号の上にバーをつけて反物質を表すことができる。