破壊学事始

中性子は約15分で陽子と電子に崩壊するが、重水素は崩壊しない。三重水素は崩壊してヘリウム３になるが、半減期は12年だ。この違いはどこからくるのだろうか？　一般にはクォークで説明されているが嘘くさいので、別の仕組みを考えてみた。「素粒子宇宙起源研究機構」の中性子寿命の精密測定から、どのようにして中性子の寿命を測定しているかを見てみる。

グラフ１：２つの寿命測定法によるこれまでの測定値のズレ。青は超冷中性子蓄積実験、赤は冷中性子ビーム実験による値。線はそれぞれの実験の精度を考慮した平均値で、帯の幅は平均値の不確かさを表す。

いずれも速度の遅い中性子を使い、片方は容器に溜め、もう片方は一定の速度で検知器を通過させて測定している。容器に溜めたほうが寿命は平均8秒短い。寿命の差は、容器から漏れ出した可能性があるとしている。それにしても、8秒の差が明確にあるのは、何か原因があるからではないか？

以前、中性子の崩壊は、2個の中性子が結合するからではないかと説明した。この仕組みでは、ビームと容器での寿命の差は出ない。やはりニュートリノが関係していると思われる。

陽子に結合した電子は励起状態であると予想した。中性子は回転すると磁場を周囲に作る。磁場にエネルギーをとられるため、電子は次第に励起状態から電荷ポテンシャルが落ちていく。陽子にミューニュートリノがぶつかると一部のエネルギーが電子に渡り、電荷ポテンシャルを上げる。

中性子を容器に溜めた場合とビームにして測定した場合を比較してみる。容器に溜めた場合は、一定面積に一定時間ニュートリノが通り過ぎる。ビームの場合は速度に比例する。ニュートリノに放射される量はビームのほうが多いと考えられる。雨が降っているとき、立ち止まっているより、走ったほうが身体に当たる雨粒は多くなる。中性子も移動している場合のほうがニュートリノに当たる確率が高い。陽子に結合した電子の励起状態は、ニュートリノにより供給される電界のエネルギーによって維持されている、と予想できる。

宇宙から大気に突入してくる宇宙線がある。宇宙線の多くは陽子が90％、ヘリウム原子核が９％を占めている。宇宙線はほとんどが10^18eV以下のエネルギーしか持たないが、まれに10^20～10^21eVのエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線(ultra-high-energy cosmic ray)が観測される。

たとえば、陽子が1個、光速で飛んでいる場合のエネルギーは次のように計算される。

E = 1/2mv^2

m = 1.67x10^-27 , c = 2.99 x 10^8m/s

E = 0.5 x 1.67x10^-27 x (2.99 x 10^8)^2
= 0.75 x 10^-10J

1J = 6.241 x 10^18eV

E = 4.68 x 10^8eV

これは運動エネルギーなので、陽子自体が持つ電荷は含まれない。陽子1個が大気に飛び込んでくると、酸素原子、窒素原子などに衝突して、さまざまな粒子が生じて地表に降り注ぐ。1個の陽子から1000億個の粒子が発生するといわれる。

空気シャワー、proton shower という。大量に発生する粒子は、パイ中間子、ミュー粒子、中性子、電子のほか、ミューニュートリノ、電子ニュートリノなどがある。

ところで、宇宙線の中には10^18eVより大きなエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線と呼ばれる非常にエネルギーの高いものがある。とくに5x10^19eVより大きなエネルギーを持つ最高エネルギー宇宙線 (EECR)の存在がある。

EECRは「2004年から2007年にかけて行われたピエール・オージェ観測所（英語版） (PAO) での最初の観測で、5.7×10^19eV を超えるものは27回しか観測されなかった。これは、3,000km2もの面積を持つ観測所で4週間に1度程度しか観測されないという少なさである」wikipedia

たとえば、光速の1000000倍の速度で突入する陽子は、どれくらいのエネルギーを持つだろうか？　最初の式で計算すれば次のようになる。

E = 4.68 x 10^20eV

これはEECRそのものだ。相対性理論を信じるなら、光速を超える粒子は存在しない。光速に近づくと質量が増えていって、加速されないからだ。EECRの発生源は、超新星爆発、ブラックホール周辺などが予想されている。しかし、星間物質の少ない宇宙空間では、ほとんどさえぎるものがない。相対性理論を無視すれば、荷電粒子は無制限に加速される。

太陽系外からの宇宙線は太陽磁場によって方向が変えられて、あまり多くは太陽系内には進入しない。さらに太陽系内部では、粒子が多いので、ぶつかる可能性が高くなる。地球近傍ではさらに粒子が増える。光速以上の速度を保ったまま大気に突入する宇宙線は、非常に少なくなると考えられる。

光速の10^6倍とはとんでもない速度なのだろうか？　天文学者・トム・フランデンによれば、重力の伝播速度は少なくとも光速の2x10^10倍だ。

電気的地球科学では、相対性理論を無視しているので、宇宙空間での速度制限はない。最高エネルギー宇宙線は、光速を超えてやってくる粒子だ。

追記：計算間違いが合ったので修正