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1 天使と悪魔 について ( の訳 ) ダン ブラウン著の 天使と悪魔 は 反物質を使ってローマ教皇庁を破壊しようと目論む秘密結社についてのスリラーです 小説の中では この反物質は CERN から盗まれたという設定になっています (ambigram courtesy John Langdon) 小説で扱われている科学技術についてたくさんの質問をいただきました 以下が我々の答えです Q: CERN は実在しますか? A: もちろんです ジュネーブに隣接するメイラン市の中心から西の丘を見上げてみてください Q: CERN はスイスにあるのですか? A: スイスとフランスの国境線をまたがっています CERN はスイスだけの施設ではなく 国際的な機関です ジュネーヴ国際空港のすぐ近くです Q: CERN という頭文字の意味は何ですか? A: 詳しく説明すると長くなるのですが フランス語で Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire で 欧州原子核研究機構という意味です Q: 本当に赤いレンガの建物の合間を 白衣の科学者がファイルを抱えて行き交っているのですか?

2 A: それは随分と現実離れしていますね 建物はほぼ白のコンクリートですし 科学者は普段着です ファイルを抱えていることは滅多にありません Q: 本に書いてあるように Web は CERN の発明なのですか? A: その通りです 1989 年に Tim Berners-Lee 氏によって CERN で作られました Q: 反物質は本当に存在するのですか? A: はい CERN でも日常的に作られています 反物質は 1928 年にポール A.M. ディラックに予言され すぐ後に最初の反物質がカール アンダーソンによって発見されました CERN だけが反物質を作って研究しているわけではありません Q: どうやって反物質を閉じ込めるのですか? A: 反物質を閉じ込めるのは 大変難しいことです 粒子とその反粒子は衝突すると すぐに消滅してしまいます 電荷を持った反粒子については 電磁トラップ という方法で閉じ込めることができます この方法では 個の同じ電荷を持った ( 反 ) 粒子を閉じ込めることができます しかし同じ電荷の粒子は反発し合いますので 例えば反陽子をあまり沢山閉じ込めようとすると 入れ物の壁から離す役割をしている電磁力より反発力が大きくなってしまいます 電荷を持たない反粒子や反原子の場合は もっと難しくなります 一定の電磁場は電気的に中性の反物質に力を及ぼすことができないので 閉じ込めるために使用することができないのです 現在科学者は不均一な磁場により粒子の磁気モーメントを利用して閉じこめる 磁気ボトル や レーザーを使用した 光学トラップ などを研究していますが まだ未完成です Q: 反物質は将来何に役立つのですか? A: 反電子 ( 陽電子 ) はすでにポジトロン断層法 (PET: Positron-Emission Tomography) とよばれる医療機器で活用されています 将来的には反陽子を腫瘍治療に使用される日が来るかもしれません ここ CERN では 反物質は自然界の法則を探るために使われています 特に物質と反物質の対称性に焦点をおいています LHCb 実験では b クオークと反 b クオークの崩壊を正確に比較します 将来的には 高精度比較のツールとして反水素原子を活用することを目指しています Q: 反物質の原子は存在しますか? A: 1995 年 CERN の低エネルギー反陽子リング (LEAR: Low Energy Antiproton Ring ) で行われた PS210 実験で 初めて反水素原子の生成に成功しました 2002 年に ATHENA と ATRAP

3 と呼ばれる二つの実験で何万もの反水素原子が生成され 後にはその数が何百万にも上るようになりました ここで 何万もの というと沢山のように感じるかもしれませんが 実はとても少ない量なのです 反水素原子でおもちゃの風船を膨らませるのにはその 10,000,000,000,000,000 倍も必要なのです つまり 日々生成されている反水素原子を貯蓄したとしても 風船を一つ膨らませるのに幾十億年もの歳月がかかるのです 宇宙はまだ 137 億歳ですから 天使と悪魔 のシナリオはフィクションだということがわかります Q: 反物質をエネルギー源として使うことはできますか? できるとすれば 車の原動力として使ったりすることもできますか? それとも主要エネルギー源としてしか使えませんか A: 反物質をエネルギー源として活用することは不可能です ソーラー エネルギーや石炭 石油などとは違って 反物質は自然界には存在しないのです つまり まず反粒子を一つ一つ作らなくてはならないのですが それにはその消滅によって得るエネルギーよりももっともっとたくさんのエネルギーが必要になります 反物質をエネルギー貯蔵庫として考えることはできます 電気を電池に貯蔵するのと同じ感覚です 電池を充電する過程と使用する過程は可逆的で エネルギー損失は比較的小さいですが それでも使用できるエネルギー量よりも充電にもっとエネルギーが必要です それに比べて反物質の生成は非常に非効率なプロセスです 生成に費やされるエネルギーの 100 億分の 1(10-10 ) のエネルギーの反物質しか得られません CERN で今までに生成された反物質を物質と対消滅させたところで 一つの電球を数分間つけることができる程度なのです Q: 反物質がエネルギー問題を解決する糸口として期待していました そのためにはもっと研究が必要なように思われますが A: たとえ研究がなされたとしても 状況は変わりません 反物質はエネルギー問題の解決策には使えません まず反物質を作るために膨大なエネルギーが必要です (E=mc 2 ) し それを使用しても同等のエネルギーさえも得られないのです ( 上記を参照してください エネルギー損失は莫大です ) また エネルギーから反物質を作り出すときには 自然法則に従わなければなりません このとき他の粒子 ( ミュー粒子 パイ粒子 ニュートリノなど ) もたくさん生成されるのですが それらは寿命が大変短いのです つまり それらは生成段階ですぐに崩壊してしまい その分エネルギーは失われることになるのです 石油や酸素が地球上にたくさん見られるのと同様に 大量の反物質が宇宙のどこか ( 例えば遠い銀河系の中など ) に転がっているのが見つかれば 反物質もエネルギー源になり得ます しかし私たちの目の届く限りでは ( 何十億光年も先ですが ) 宇宙は普通の物質でできており 反物質は手間をかけて作らなければできないのです ところで 宇宙が物質だけでできていることを考えると ビッグ バン直後などの高エネルギー

4 状態での物質と反物質の性質が対称でないことがわかります もし対称であったとすると宇宙は物質と同量の反物質であふれているはずだからです この非対称性がどのように作られたのかは これからの研究で解明されるかもしれません Q: 反物質の爆弾は作れますか? A: 無理です 今何万も作られている並の水素爆弾一つと同程度の破壊力を持った爆弾を作るために 何十億年もかけて反物質を生成しなくてはなりません 社会的観点からの覚書 : 科学者たちは原子爆弾が作成され使用されるより何年も前から それが実現可能であることに気がついていましたが 一般の人たちはそれができてから初めて気がつき仰天しました 一方で 科学者にとっては明らかに実現不可能な反物質の爆弾については 一般の人たちはなぜか実現するものと信じています Q: なぜ反物質はあまり報道されていないのですか? A: 報道はたくさんされてきましたが 科学関連の出版物に集中していました また 反物質は科学的には新しいものではありません 最初の反粒子が見つかったのは 75 年間も昔のことでした 反水素の原子が生成されたのは比較的最近ですが これについても純粋な科学的興味以上のものではありません Q: 反物質の効率は 100% ですか? A: 効率 がどういう意味で使われているのかによります 同質量 m/2 ずつの物質と反物質が衝突して消滅すれば 当然 E=mc 2 ちょうどのエネルギーが生成されます 質量からエネルギーへの転換の効率は 100% です しかし本当の意味での効率性とは m/2 グラムの反物質を生成するためにどれだけエネルギーを消費するかということです 理論的には エネルギーの半分が物質となるので合わせて E=mc 2 必要だといえます つまりエネルギーは生成過程では増えも減りもしないということになります しかし反物質の生成は大変非効率なプロセスです エネルギーから粒子の質量に変換するとき 当時に寿命の短い粒子や反粒子がたくさん生成されます こうして大部分のエネルギーが失われ 安定した反物質粒子 ( 陽子や反陽子など ) は捕まえる間もなく光速で散らばっていってしまいます キャンプ ファイアーで調理をしようとすると ほとんどの熱は夜空へと消えていってしまい 食べ物には少ししか伝わりません それと同じようなもので 大変非効率的です Q: 本にあるような反物質の作り方をするのですか? A: いいえ CERN での反物質の生成 貯蔵方法は 本に描かれているものとは全く違っています LHC(Large Hadron Collider) の横で反物質が出てくるのを立って見ているなんてことは

5 できません そもそも LHC 加速器はまだ稼働していません ( 訳注 :LHC の本格的稼働は 2009 年秋に予定されています ) 反陽子を作るには まず陽子を光速度 ( 正確には 25GeV の運動エネルギー ) に加速しそれを銅やタングステンなどの金属ブロックに衝突させます この衝突で生成される膨大な粒子のうち ある方向に飛ばされた反陽子だけが捕まえられます ここでエネルギーが失われているのがわかります 庭全体に水をまくスプリンクラーで 花鉢一つに水をやろうとしているのと同じです むろん 効率を上げるための努力は常にしていますが 素粒子のレベルではこれは大変難しいことなのです Q: ではどうして LHC を作ったのですか? A: LHC 加速器を建設した理由は そもそも反物質を作るためではなく まだ解明されていない物理学の謎を探るために 高いエネルギー集中を得るためです 集中 といっているのは 大きなエネルギー量を生成させるという意味ではなく 非常に高いエネルギー密度を実現するという意味からです LHC で加速された粒子一つは エネルギー量としては蚊一匹が飛ぶのと同等です 絶対値では全く大したことがない値ですが 小さな空間に高集中されることによって 宇宙開闢直後 ( 一兆分の一秒くらい ) の状態を作り出すことができるのです この集中効果については 木の床の上を大きな男性が平たい靴を履いて歩くのと 細身の女性が先の細いハイヒールを履いて歩くのとで比べてみるとわかります 男性は歩いても床はへこみませんが 女性は細身であるのに床に跡をつけることができる場合があります ハイヒールの先に圧力が集中しているのです これが LHC で行っていることです 少量のエネルギーを大変小さな空間に集中させることで 高いエネルギー状態を実現し ビッグ バンについて研究することができるのです Q: CERN には長さ 27 キロメートルの加速器があるのですか? A: LHC 加速器は円周 27 キロメートルのリングになっています 地下 100 メートルのトンネルに設置されています この地図 ( で加速器がどこにあるのか 円形のアウトラインを見ることができます Q: 一体なぜ CERN で反物質を作っているのですか A: 主な理由は自然界の法則を研究するためです 現在の物理理論からは 反物質に関してさまざまな現象が起こることを予言しています もし実験でそのような結果が得られなければ 理論は間違っていることになり 訂正 再構築されなければなりません これが科学の進歩する過程です もう一つの理由は 物質と反物質の衝突で非常に高いエネルギー集中を実現することです 物質とその反物質が衝突すると完全に対消滅し 生成されたエネルギーから興味深い粒子が現れるか

6 もしれません そのような粒子を探して 2000 年までは CERN の LEP(Large Electron Positron) が稼働していました シカゴ近郊の Fermilab にある Tevatron は現在もこの目的で稼働しています Q: どのように反粒子からエネルギーを抽出するのですか? A: 通常の物質が反物質に衝突すると 互いに対消滅して圧縮されたエネルギー爆発が起き そこから新しい粒子や反粒子が生まれます 新しく生成される粒子の数と質量はそのエネルギー量によります 電子と陽電子の低エネルギーでの対消滅では 高エネルギー光子が二個 ( あるいは三個 ) 生成されるだけです 高エネルギーでは何百もの粒子 反粒子のペアが生成されます これら生成物はさらに他の粒子に崩壊しますが その中にはニュートリノもたくさん作られます ニュートリノは周りと全く干渉し合わないので エネルギーの抽出には役立ちません Q: 反物質はどれくらい安全なのですか? A: 現在生成可能な量では とても安全です 数グラムになった場合はとても危険になりますが それだけの量を生成するには何十億年もかかります Q: CERN には反物質の安全対策手順が用意されていますか? A: 反物質による危険は全くありません CERN には 他の研究所と同様に たくさんの危険があります 高電圧地帯や深い縦穴などの危険地帯には 通常の産業安全対策がとられています 原子力発電所の近くで心配されるような放射能の危険は全くありません 1 グラムの反物質には 20 キロトンの核爆弾に相当するエネルギーがあるのですか? 20 キロトンのトリニトロトルエン (TNT) は 広島を破壊した原子爆弾と同等のエネルギーを有します 1 キロトン (=1000 トン ) の TNT 爆発は 4.2x10 12 ジュール (10 12 は1の後に 0 が 12 個ある値 1 兆 ) のエネルギー放出に相当します たとえば 60 ワットの電球は1 秒間に 60 ジュールを消費していますので それと比較してください 1 グラムの反物質と 1 グラムの物質が対消滅したときの エネルギーの放出量を聞いているものと仮定します では計算してみましょう 1 グラムの反物質と 1 グラムの物質ですので 合計で 2 グラムが対消滅します E=mc 2 方程式により c は光速度 (300,000,000 m/s) ですので E= x (300,000,000) 2 kg m 2 /s 2 = 1.8 x J = 180 x J となります 1 キロトンの TNT は 4.2x10 12 J ですので 2 グラムの物質 反物質対消滅は 180/4.2 = 42.8 キロトン つまり TNT 20 キロトンのおおよそ二倍に相当することになります ということは 広島に落とされた原子爆弾と同等の破壊力を得るためには 反物質 0.5 グラムで十分だということになります それと反応する 0.5 グラムの物質はその辺に普通にありますから

7 CERN では毎秒 10 7 の反陽子が生成されています 1 グラムの反水素原子には 6x10 23 の反陽子が存在しますので 一グラムの反水素原子を得るためにどれだけかかるかは 簡単に計算できます つすなわち 6x10 23 /10 7 =6x10 16 秒必要となりますが 一年は 365 (days) x 24 (h) x 60 (min) x 60 (sec) = 約 3x10 7 秒しかありませんので 6x10 16 / 3x10 7 = 2x10 9 = 二十億年の歳月がかかると計算されます それだけ待てるでしょうか Q: 本当に CERN の科学者がインターネットを発明したのですか? A: いいえ インターネットはフランスの Louis Pouzin によって成された業績のうえに成り立っており 1970 年代に米国の Vint Cerf と Bob Kahn に受け継がれました しかし Web は全て 1989 年から 1994 年にかけて CERN の Tim Berners-Lee と小グループによって開発されました インターネットと Web に関しては How the Web was born (Oxford University Press) をご一読ください 天使と悪魔 ほどは魅力的ではないかもしれませんが Web の誕生物語の中で起こったことは全て CERN での研究成果とその証明なのです Q: CERN は X-33 宇宙飛行機を所有しているのですか? A: 残念ですが所有していません ( の訳 )

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