反物質（アンチマター）とは？定義・性質・生成と消滅の仕組み

物理学では、すべての素粒子、つまり私たちが触れることのできるものの基本的な構成要素は、2つ1組になっています。それぞれの粒子には、反粒子と呼ばれるものがあります。この反粒子は、ある大きな違いを除いて、通常の粒子と同じように見え、同じように振る舞うことがあります。例えば、電子と陽電子です。

他の反物質粒子も同様で、重さは同じで、見た目も行動も通常の粒子と同じですが、電荷が通常の粒子と逆になっています。例えば反水素は、陽電子というプラスに帯電した粒子が、反陽子というマイナスに帯電した粒子の周りを回っています。これは、電子（マイナス帯電）が陽子（プラス帯電）の周りを回っている通常の水素とは逆の姿です。

アルバート・アインシュタインは、物質でも反物質でも、あるものがどれだけのエネルギーを持っているかを示すことができる公式を発見しました。この式は、E = m c 2 {displaystyle E=mc^{2}} です。であり、最もよく知られた方程式の1つである。簡単に言うと、何かの質量をとって、それに光速をかけ、さらに光速をかけると、あるものがどれだけの純粋なエネルギーを持っているかがわかるということである。光速がこれほど大きな数字である以上、これは少量の物質でも大きなエネルギーを持つことを意味する（核分裂の4倍もの質量あたりの効果があると予測されている）。

1928年、物理学者のポール・ディラックは、非常に高速な粒子がどのように振る舞うべきかを予測する方程式を探していた。しかし、アインシュタインの特殊相対性理論では、高速の粒子は低速の粒子とは全く異なる振る舞いをする可能性があるとされていた。ディラックは、電子のような粒子は通常、非常に速く動いていることを知っていた。しかし、アインシュタインが提唱した特殊相対性理論では、高速の粒子と低速の粒子は全く異なるものであるとされていました。そこで彼は、光速に近い速さで動く粒子を表現できる新しい方程式を考え出しました。

高速な粒子では、エネルギーがE = m c 2 {displaystyle E=mc^{2}}であることは、もはや真実ではありません。.代わりに、Dirac の新しい方程式は、エネルギーが E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{mechanical {p}^{2}c^{2}} で与えられる粒子で動作しました。｝.エネルギーの新しい方程式では、p → {displaystyle {disvec {p}} という記号は運動量と呼ばれ、粒子がどれだけ速く進み、どれだけ止まるのが難しいかを測定します。この式は、非常に速い粒子はより多くのエネルギーを持っているので、遅い粒子とは異なることを述べています。この方程式の両辺は等しいので、両辺の平方根をとればよい。しかし、どんな実数平方根でも答えは2つある。E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {displaystyle E=+{ảσqrt {m^{2}c^{4}+{ảσvc {p}}^{2}c^{2}}} and E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {displaystyle E=-{ảσqrt {m^{2}c^{4}+{ảσvc {p}}^{2}c^{2}}} ...エネルギーが負の答えは反物質と考えることができます。

これが反物質を理解するのに重要なのは、科学者が、物質と反物質が触れ合うと、放出されるエネルギーの量が、その2つの部分にすべて一緒にあるはずだというエネルギーE = m c 2 {displaystyle E=mc^{2}} の量に非常に近くなることを発見したからである。その理由は、物質の各粒子は、反物質の世界でその反粒子に触れると、両方とも純粋なエネルギーに変わるか、互いに対消滅するからである。このように大量のエネルギーが放出されるため、多くのSF作家が物語の中で反物質を燃料として使っているのです。例えば、作家のダン・ブラウンは『天使と悪魔』の中で、反物質を非常に強力な武器として使っています。また、将来的に宇宙への現実的なミッションの燃料としても注目されている。

多くの科学者は、はるか昔に宇宙が誕生したビッグバンの後の最初の数瞬間に、物質と反物質の両方が混ざったと考えています。もしビッグバンで物質と反物質が同じ量になったなら、2つは消滅してエネルギーになる。長い時間が経てば、物質も反物質もなくなり、エネルギーだけになります。しかし、現在の宇宙はほとんど物質で、反物質はほとんどないように見えます。そのため、反物質はどこに行ったのか、宇宙の始まりから残っているのか、といった疑問も持たれています。

一つは、最初は物質が反物質より少しだけ多く、物質と反物質のほとんどがエネルギーに消滅した後に残ったものが、現在のようなほとんど物質のない宇宙となったという説です。もう一つの説は、私たちの視野のはるか彼方にある宇宙の反対側に、たくさんの反物質が隠されているというものです。その反物質も、銀河や太陽系を形成しているかもしれないのです。

反物質は非常に大きなエネルギーを作ることができるので、宇宙へ行くための燃料や、車の燃料など、さまざまなことに利用することができます。しかし、反物質は通常の物質に触れることができないため、作るのに非常にコストがかかり、保管するのにも同じくらいコストがかかります。100万分の1グラムの反物質を作るのに、数億円かかるのです。つまり、地球上で最も高価で最も希少な物質なのだ。このように高価であるため、反物質は武器やエネルギー源としては実用的でなく、入手できる量も非常に少ない。

しかし最近、反物質を16分以上（合計1000秒）閉じ込めることに成功した。

陽電子放出断層撮影法（Positron Emission Tomography）と呼ばれる特殊なスキャナーでは、ポジトロンを使って人体の中に入ることができるからです。医師は、陽電子が人の体内でエネルギーに変わる様子を見ることで、人の体内で何か問題が起きているかどうかを判断することができます。この装置は、X線装置や磁気共鳴画像装置（MRI）とは仕組みが異なり、他の装置では見ることができないものを見ることができるのです。