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サイエンマニア
こんにちは、レンです。サイエンマニアは、あらゆる分野のゲストを招き、サイエンスの話題を中心に、ディープでマニアの話を届けるポッドキャストです。
今回のゲストは、原子核物理学を専攻されている赤髪そらさんです。よろしくお願いします。
今回は学生コミュニティビーストからのご紹介ということで、この番組、結構お馴染みみたいな感じになってきてるんですけども、
最初に、簡単に自己紹介をお願いしてもいいですか? 私は、高知大学の理工学部数学物理学科で、学部4年で原子核物理の研究をしている赤髪そらと申します。
よろしくお願いします。 最初、ハンドルネームかと思いましたね。 そうですね、よく言われますね。
名前がかっこいいから。 ありがとうございます。 学部4年生ってことですけど、結構論文を出されているという話をお聞きしまして、
これはもう、研究室に所属してから自分で書いたんですか? 実はですね、研究室に所属する前から、ちょっとそういう研究をする機会がありまして、そこから今に至っているって感じですね。
それも自分から研究させてくださいみたいな感じですか? ちょっと実は違ってですね、もともと高知大学にその当時おられた田島先生、田島博之さんっていう方がいるんですけど、その方がですね、
TwitterとかYouTubeとかでアウトリーチ活動をやられている方で、その人のアウトリーチ活動をお手伝いしていく中で、なんかこういうのあるんだけど、興味あるっていうのを
あれは多分学部2年の頃だと思うんですけど、ちょっとお話を伺って、そこからちょっとチャレンジし始めたっていうような形になります。
そこからもう結構ガッツリ研究やってるって感じですね、きっと。 そうかもですね、はい。
すごいなと思って、この原子核物理学、僕有機化学やってるんで、原子核とかは馴染みはあるんですけど、僕がやってるのって結構有機化学なんで、使う側なんですよね。
原子と原子くっつけて反応させるみたいなのをやってるんですけど、多分もっと根本の物理学のところとかって、僕多分そんなに詳しくなくて。
なのでちょっと今日はその辺の基礎的なところからも話聞いていければなと思います。よろしくお願いします。 よろしくお願いします。
じゃあ最初に原子核物理学ってさらっと言ったんですけど、これってどんなジャンルなんですか?
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はい、原子核物理、そうですね。我々の体っていうのはなんか例えば、いろんな組織でできていると思っていまして、なんかそれもさらにもっと細かくいくと分子。
分子をさらに細かくいくと原子。いろんな原子で僕らの体とか身の回りのものってできていると思うんですけど、
さらにその原子っていうのは原子核と周りを飛んでいる、周りにある電子で構成されているわけですけど、
その原子核の方に特に焦点を当てていろんなことを考えてみようというような学問となっています。
なるほど。教科書的には陽子と中性子がくっついているやつみたいな感じですよね。
そうですそうです。 それをもっと詳しく研究しようみたいな分野ですか?
はい、そうですね。ただこれちょっと原子核物理をやっていると言ったんですけど、ちょっとなんか普通の原子核物理とはなんかちょっと違うような立場のことを実はやっています。
はいはい、普通の原子核物理をよくわかってないからあれですけど、どう違うんですか?
はい、普通の原子核物理、例えば中性子とか陽子とかっていうのが大体多くても数百個ぐらいでできているようなものを対象にしていると思うんですけど、
僕が対象にしている原子核物理のトピックは陽子とか中性子の数がなんと10の57乗個ぐらい集まったような、
10の57乗?
はい、っていうような中性子星っていう、そういう不思議な星がありまして、なんかそれについての研究をやっています。
じゃあ宇宙系みたいな感じなんですかね、その括り的には。
そうですね、宇宙系の話、トピックもある。
へー。
なんか本当に中性子星っていうのが学際的な対象物でして、本当に天体物理の人も中性子星を見ているし、原子核物理の人も中性子を見るし、
素粒子物理の人も中性子、物性物理の人も中性子っていうような形で、いろんな人が中性子星をいろんな立場から見ているような、そういうものを考えています。
あー、そうなんですね。割と中性子星って、どうしても星っていうとその天文的な方の人たちをイメージしてましたけど、割とそういう物理学の人がガンガン研究しているような感じなんですね。
あ、そうですね。
その中性子星のどんな感じの研究というか、なかなか伝えるの難しいかもしれないですけど。
わかりました。
はい。
まずその中性子星についてちょっと簡単にご紹介させていただきますと、
太陽みたいな、そういう光勢が最後、寿命が尽きて、超新星爆発っていうのを起こすんですけど、
その超新星爆発の後にできる広報天体の一つになっていまして、
場合によってブラックホールとかができる可能性もあるんですけど、ある条件が揃うと中性子星になるというもので、
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こちらがですね、まず重さですね。
質量が太陽の1倍から2倍みたいな、そういうかなり重いんですけど、
問題がですね、半径がむちゃくちゃちっちゃくてですね、半径がだいたい5から20キロぐらい、20キロメートルぐらいの半径なんだけど、
太陽と大体同じぐらいの質量を持っているような、そういう高密度の天体になっています。
ですよね、めちゃくちゃ密度えらいことになってますよね。
はい、そうですね。
たぶん宇宙で一番密度が高い対象物って言っても、もしかしたらいいのかなと思いますね。
そうなんだね。それ以上になってくるともうブラックホールみたいなことですよね。
そうですね、もううまく安定しているところだと思いますね。
うーん、その状態で一応安定はしているから観測もできるという感じですかね。
そうですね。
なるほど、なるほど。それが星が爆発した時にできたりできなかったりするっていうことですね。
あ、そうですね。
うんうんうん。
で、えーと、まあ中世史性って言っても、なんか本当にいろんな面白いトピックスがあって、
まあそんだけギューってしているので、ギューってしてるし、あの、さらに面白いことで言うと、時点がむちゃくちゃ早いんですよね。
おお、高速回転。
そうです。1秒間で本当に何百回って回転するような、本当に不思議な星。
へー、そんなに回ってんだ。すごいな。
はい。なので、なんか一つの中世史性の研究をしているよって言っても、なんかいろんな面白いトピックスがあるんですけど、
特に僕が何をやっているかっていうと、中世史性の一番中、中心部分でどういう物理になっていますか、っていうのを研究しています。
じゃあ、超高密度の中の、さらに一番密度が濃いみたいなところを研究しているってことですね。
そうです。はい。そういうことになります。
全然想像つかないですけど、どんなことやってるのか。
なんかその他、例えばなんか中世史性が多分身近に感じるトピックだと、なんか重い原子、例えばなんか原子力発電とかで使えるのはウランとかあると思うんですけど、
ウランってどこでできたんですかっていうのが、実はまだ科学、物理学ではわかっていないんですね。正しく。
そうなんですね。宇宙の中のどこでできたかわからない。
はい。どうしてウランみたいな重い原子っていうのが存在しているのかっていうのを、ちゃんとまだ説明できていないところがありまして、
それの効果として一つあるのが、中世史性の連成、中世史性2つがなんかこの、それぞれ引き合ってぐるぐる回っている、
そういう中世史性の連成の過程で、そういうウランっていうとか、そういう重い原子ができたんじゃないかっていうふうに思って。
へー、なるほど。そういう研究もあったりしますね。
だからそういうとこって、だからもう重力とかめちゃくちゃになってるわけですよね、多分。
めちゃくちゃというか、すごい複雑になって、そこで要は原子が新しくできるってことは、もう原子核と原子核が合体というか、ぶつかってとか、核融合みたいなのが起きて、
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より原子番号的には大きいものができていくみたいな、もうそういうイメージですよね。
はいはい、そういうことに、あまり僕自身は詳しくないんですけど、そういったことが起きてるっていうふうに思います。
そうか、確かに、周期表の僕らが馴染み深いところって、もうありふれてるから、逆に一番最初どこなんだって言われたらむずいのかもしれないですけど、
そう考えると、周期表の下の方のやつって、そういうどこでできたのか分かんないやつとか結構いっぱいあるんですかね。
そうですね、しかもぐるぐる回っているってことなので、最近、ちょっと数年前とかにも重力波の観測で、ノーベル物理学賞とかがあったと思うんですけど、
ありましたね、うんうん。
実は重力波が一番最初に観測された例って確か、中性質性の錬成だったのでいて、
本当に、実はなんかいろんなニュースで聞く中で、実は中性質性関わっているトピックって実は多いのかなっていうふうに勝手に想像しています。
そうかそうか、その重力波は重力波でまた多分違う研究ジャンルなのかもしれないですけど、
あれもだから、えらい強い重力同士がぶつかったのを観測しましたみたいな、そんな感じのイメージですよね。
そうですね、なんか重い天体がぐるぐるぐるぐるぐるぐる回ると、やっぱりそういうぐるぐるのなんか、
なんでしょう、残りが的なものが重力波となって、我々の地球まで届いているってな感じですね。
なるほど、中性質性って結構いっぱいありますよね、きっと宇宙の中に。
そうですね、結構観測されているっていうふうに聞きますね。
そうなんですね、やっぱり例は多いのか。
で、さらにその中の研究トピックがあるんですよね、きっと。
はい、そうですね、中性質性のさらに内側でどうなっているかっていうのを考えている。
しかも、これまたちょっと複雑なんですけど、中性質性の中をどうなってますかっていうのを実際に確認することは難しいので、
それを物性物理学で似たような状況を作って、中性質性の中身をシュミレーションしようっていう、量子シュミレーションっていうようなことをやっています。
これ物性物理学はまた別のジャンルですよね、これはどういうものになるんですか。
物性物理学は、これが一番多分物理の中でも幅広いんですけど、本当に身の回りのもの、例えばパソコンだったり、
車の材質とかいろんなところに物性物理学、この金属はどういう性質を持ってますよ、みたいなところから本当に身近にある物理の一つだと思うんですけど、
特に私がやっている物性物理学は、冷却原子気体っていうような物理になります。
冷却原子気体、超冷やしてる原子の気体。
そういうことになります。
はいはい、そのまんまですけど。
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はいはい、じゃあどれぐらい冷やすのかっていうところだと思うんですけど、実際にはマイクロケルビンとかナノケルビンのレベルまで温度を下げていきます。
マイクロケルビン、ナノケルビン、だからもう絶対冷度とかいうのの近いところまでって感じですよね、きっと、いわゆる。
そうですね、はい、間違いなくそうですね。
で、こちらもちょっと簡単にどういうものか説明すると、主に使う元素はアルカリ金属類とかリチウムとかそういうのを使っていて、
金属、普通固体ですけど、これを熱したら気体になるわけですけど、この気体になった原子をガラスのセルで閉じ込めてあげて、
これいろんな方向から光を当ててあげることによって温度を下げていくっていうことをして、ナノケルビンとかマイクロケルビン、他にもいろんなことをするんですけど、
まで下げることによって冷たい金属原子の気体を作ろうっていうことをやっております。
だからリチウムとかナトリウムとかカリウムとか、そういうのもいろいろ試したりするわけですか?
そうですね。そういった金属を使うわけですね。
凄い、冷却するだけでも結構大変そうだなって思いますけど、たぶん聞いてる人的には、それが中性子性と結びついてるの?みたいな思うかもしれないですね。
はいはい。そうです。結局、中性子性も冷却原子気体っていうのも同じように量子物理っていうので記述することができるんですけど、
実は2つの中性子性と冷却原子、別々のものに見えるんですけど、むちゃくちゃ冷やしていった状態ですと、
例えば、よく量子力学の説明で、粒子としても振る舞うし、粒子として振る舞うときもあるし、波として振る舞うときもあるよみたいな説明って聞いたことないですか?
はいはい。ありますね。よく量子の特徴みたいな。
で、実はこの番組、実は量子2回目で出てくるのが、結構前に量子コンピューターのお話してくれた方がいて、その時もそういう性質としては、コンピューターでいうと0でもないし、1でもないし、みたいな状態、みたいなよく説明されますけど、
なんかそういう、あるこれだっていう性質じゃないみたいな、なんかそういう感じですよね。
そうですね。波としても振る舞うっていうところなんですけど、こういった中性子とか、冷却原子機体は原子を扱うんですけど、冷やしていくと波の性質っていうのが顕著に現れますよっていうことがわかっていて、
その波の性質まで見てあげると、実は中性子とか原子とか、もっと言うとクオークとかいろいろあると思うんですけど、それらの性質っていうのが、ある種似たような性質っていうのが出てくるよねっていうことが、すごく冷やしてあげた状況でわかっていて、
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なので、すごく冷えた状態下だと、中性子とか陽子とかクオークみたいなものを原子でも似たような性質として見れるんじゃないかなっていうことが期待されています。
なるほど、だから冷やさない状態だと言ったら、なんかノイズが多いみたいなイメージなんですかね。
うんうん。
波としての性質見たいけど、他にもいろんな要素が出てきちゃうから、だから、まあめちゃくちゃ冷やしてみたいな、なんかそんな感覚を何となく持ってたんですけど。
そうですね、そういった捉え方でもいいのかなと。やっぱり熱揺らぎっていうのが、すごく物理でも難しいトピックスであるんですけど、やっぱりこの、やっぱ温度がある程度あると、そういう熱的な性質で振る舞っちゃうので、やっぱそうなると、
ちょっと量子力学的じゃなくて、なんかもうちょっと古典的な振る舞いをするので、すごく冷やしてあげることで、量子力学的な性質を顕著にしようっていうようなことになります。
めっちゃわかりやすいですね。
ありがとうございます。
で、その冷却原子機体ってやつなんですけど、じゃあなんで冷却原子がいいかっていうと、これがですね、非常にクリーンでコントロール性の高い実験系になっております。
っていうのは、なんか再現性が取りやすいみたいな。
そうですね、再現性も取りやすいと思いますし、なんか非常に、あの、系を扱う、扱いやすいものとなっていまして、
例えば、なんか普通の金属とかを合成しましょうってなった時って、必ずなんか不純物ってのがある一定数含まれることがあると思うんですけど、
冷却原子機体だと、ほとんどですね、そういう不純物がないような系っていうのを作り出すことが可能になります。
なんか純粋にこの原子だけとか、そんな感じってことですよね。
そうですね、さらにいろんなことをコントロールすることが可能でして、例えば、次元性、なんか我々の世界3次元とかあると思うんですけど、
上手く光の当て方とかトラップの技術っていうのを上手く活用してあげることで、3次元的な系、我々の日常的な感覚にもあるような3次元的な系もそうですし、
1個自由度を落とした2次元系、1次元系っていうような形を実験系で作ることが可能になります。
それがやっぱ冷やさないと難しいんですか?
そうですね、冷やすのもそうなんですけど、光を当てて上手くコントロールする、光とか磁気トラップっていって、磁場とかを使うんですけど、
そういったものがすごくコントロール性が高い実験系になっていて、なので、冷却演習だとそういうのが上手く扱えますよっていうのが1つありますね。
これ多分、僕のジャンルとちょっとかぶってるかなっていうのが、多分NMRとかになるのかなって思ってて、
分かります?その核磁気共鳴スピンなんですけど、
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あれってめちゃくちゃ強い磁場かけて、例えば水素だったら水素がどういうスピンを持ちますかみたいなのを検出して、
で、大体この水素ってこれぐらい周りに電子があってっていうのをなんとなくグラフにして構造を決めるみたいなのが有機化学でも一番メジャーな方法ではあるんですけど、
なんかその辺、あれもめちゃくちゃ冷やすんですよね。液体ヘリウムとか使ってるんですけど、だからそういうのも似たようなところですよね、きっと。
そうですね、なんかちょっとあまり実験、そこまで詳しくはないんですけど、多分ある種、ある種なんか似たようなところはあるのかなと思いますね。
で、そこからそれを使ってどういうことを研究するんですかね?
まず、もう1回中性地性に戻るんですけど、中性地性のじゃあ内部、すごく内側で何が起こってるかっていうのを研究しているんですけど、
そこではいろんな説がありまして、クォークっていうようなものがクォークでできてるような層があるんじゃないかっていうことも言われてます。
クォークって何かっていうと、その中性子とか陽子とかっていうのが最小単位だと思いたいわけですけど、実はそれだけでは。
理科的にはそうですね。
そうですね、理科的にはそうなんですけど、それだけじゃあまり説明できないこともたくさん世の中にあって、
この中性子とか陽子とかっていうのがもっと小さい単位、クォークって呼ばれているものを3つでできているっていうふうに思ったら、いろいろと辻褄が合いやすいっていうことで、
そういったクォークっていうものを考えるっていうのが物理学では行われます。
これ何が一番イメージあるんだろうな。
多分よくニュースになっているのは、スーパー神を噛んでみたいな、ああいうのってなんか素粒子検出しますみたいなので、
なんかちょいちょいニュースになってたりしますよね。
はいはい、そうですね。
それで聞いたことある人いるかもしれないですね。
クォークみたいな言葉って。
そうですね、たぶん神を噛んでとかだとヒッグス粒子とかをたぶん。
ヒッグス粒子とか電子とか光の光子とかっていうのはまとめた括りとして素粒子ってものに区分されるんですけど、
このクォークっていうのも同じく素粒子の一つとなっています。
その素粒子っていうのが3つ組み合わさって、3つしかもそれぞれがですね、光の三原色になぞられたカラーって呼ばれるような自由度を持っていて、
そのカラーが光の三原色って赤、青、緑で合わせたら白色になると思うんですけど、
そういった組み合わせになるように中性子とか陽子を作っているというふうに考えましょうっていうのがQCDって呼ばれているような、
原子核物理の理論になります。
なるほど、なんか式的にはそういうふうにすると結構辻妻が合うよっていうことですね。
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はい、そうですね。なんかちょっと難しいことは言ったんですけど、中性子とか陽子っていうのは実は3つのクォークって呼ばれているものでできていますよっていうのがポイントです。
なるほど、なるほど。
で、このクォークっていうのがあると思っているわけですけど、実はですね、これ実験では見れていないんですね。
クォーク単体だと。
じゃあ、紙の上で存在しているみたいな。
はい。
理論ではあるみたいなそんな感じですよね。
そうですね、現状では、それとも現状ではそうでして、なんかその閉じ込めっていう、これ専門用語なんですけど、
閉じ込めっていう機構が働いてクォーク単体では見れませんよっていうのが今の理論ではあります。
閉じ込め?
はい。
本当に閉じ込めるの閉じ込めですか?
あ、そうですそうですそうです。閉じ込めですっていうのが、
普通はなんか、普通の力って遠ざけていったら弱くなっていくっていうのが、例えばなんか重力とか電磁気がで習うような力、
多分遠ざけると力がどんどん弱まっていきますよっていうのが多分普通だと思うんですけど、
そうですね。
このクォークに働く力っていうのは実はそうじゃなくて、遠ざけたら弱まりますよっていうようなそういう話じゃないので、
引き剥がそうとしても結構強くガッシリとつくんでいますので、クォークだけで見れますっていうことがないっていうようなものとなっています。
あ、そのもうセットで存在しちゃってるからみたいなことですか?
はいはい、そうですそうです。
1個だけを取り出すみたいなのが力かけようが何しようが剥がれないみたいな。
はい、そうですね。原料だとそういう風になっています。
ここで1個何か概念を追加したいのが平均粒子間距離っていう言葉をちょっとこの後使っていくんですけど、
その名の通り、例えば中性子と中性子の間の距離だと思っていただけたらいいんですけど、
先ほど言ったように中性子っていうのはぎゅーっと、中性子っていうのはぎゅーっと詰まった天体で、しかも中身に行けば行くほどもっとぎゅうぎゅう詰めなんですよね。
じゃあぎゅうぎゅう詰めだとどうなるかっていうと、中性子とかって大体大きさがありますと。
中性子と中性子の間は大体これぐらい離れてますよって平均粒子間距離っていうのもあるんですけど、
ぎゅうっと詰めていくと中性子と中性子が平均粒子間距離よりも短くなって、
ある種中性子と中性子が重なって見えるようなぎゅうぎゅう詰めの状態に中性子性になってるんじゃないかっていうふうに思えるんですね。
なるほど、それは観測はできないけど、理論上そうなんじゃないかみたいな。
はいはい、そうですそうです。
理論上そういうことになってるんじゃないかっていうことが一つ示唆されていまして、
そういった世界ではどういう物理になっているかっていうふうなことを結構いろんな人が議論しているんですけど、
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そこで我々のグループが考えているのが、クーパートリプルって呼ばれているようなものを考えて新しい病像を作ろうっていうことをやっているんですね。
クーパートリプル。
はい。
はいはい。
まずクーパートリプルの前にクーパペアっていうものからちょっとお話しさせていただきたいんですけど、
なるほど、ペア2個のやつがあるんですね。
そうですそうです。
実はクーパペアっていうのは、まあ短っていう、ちょっと短かどうかわからないですけど、実はこれ超伝導の理論で出てくるものでして、
超伝導、短ではないですけど、どうなんだろう。
そうですね、短ではないですね。
よく聞く言葉ではあるかもしれないですけど。
そうですね、なんか超伝導って最近結構リニアモーターカーとかで割と聞いたりするトピックかなと思うんですけど、その超伝導を説明する理論でBCS理論、バーディン、クーパー、シュリファーの3人が作った理論でBCS理論ってあるんですけど、
それっていうのが、電子って物質の中にいろいろとあると思うんですけど、電子っていうのは上向きのスピンっていうものと下向きのスピンっていう、2つ種類があるよって思ってあげたらとりあえずいいと思うんですけど、
そうですね。
実は2つ種類があると。で、その2つの種類の電子間に弱い引力総合作用が働くとクーパーペアっていうものができますよっていうのがわかってます。
なるほど。
じゃあ超伝導ってどういう現象ですかって言われると、電子がみんなクーパーペアを組んだ状態だっていうふうに言ってあげることができるんですね。
みんな組んだ状態っていうのはもうどう考えたらいいんだろうな。普通は組まないのも組むみたいなことですか?
そうです。クーパーペア組んであげたほうが、実は普通に電子としてみんないるよりも、みんなで2人組になってくださいねってクーパーペア組んだほうがエネルギー的にお得なんですね、実は。
やっぱり物理ってエネルギー的にお得なほうが嬉しいので、エネルギー的にお得なやつのほうがやっぱり実現されるわけなんですけど、クーパーペアっていうふうに組んだほうがエネルギー的にお得で、そういった状態のことを我々超伝導のそういう超伝導層になったねっていうふうに物理学者は言っているというような感じですね。
とりあえずそれがクーパーペア。
はい。じゃあトリプルって何かっていうと、さっき2人組になったものが、実は3人組になってくださいねって言ったものがクーパートリプルになります。
ってことはこのトリプルになったらエネルギー的にお得になるのかどうかっていう感じですか?
そうですね。エネルギー的にお得になるかどうかっていうのが実は次ポイントなんですけど、ここでここからが実はちょっと僕の本当に僕がメインでやった仕事。
イントロダクション終わりましたね。
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ちょっと待って。あるんですけど、ここで粒子っていうのは大きく2つの区分に分かれるんですね。っていうのがフェルミオンっていうのとボソオンっていうのに分かれていて。
フェルミオンとボソオン。
例としてフェルミオンっていうのが例えば電子とか先ほど出てきました中性子とか溶子とかクオークみたいなものをフェルミオンって言って、主には物質を構成するですね粒子になってます。
なるほど。なんか実体があるっていう感じのイメージですよね。粒子を構成する。実体があるって言うと違うのかな。
そうですね。実はボソンの方も実体があるので、実体がある。
あ、そうなんですか。
だから物質を作るものとなっていて、一方でボソンっていうのが例えば光の光子ですね。
ホトンとかそういったものがボソンに区分されるんですけど、フェルミオンとボソンっていうので2つ種類があって、フェルミオンっていうのが、ちょっと専門用語ばっかで申し訳ないんですけど、パウリの排他率っていうのが効きますよって言われていまして。
パウリの排他率。
これ何かと言いますと、同じ状態に何個も入れませんよって言うんですけど、同じ状態になれませんよっていうのがこのパウリの排他率っていうものでして、どういうことやと言いますと、先ほど言ったようにエネルギーが一番低い方が嬉しいわけですよね、ホントは。
なので、ホントは一番エネルギーが低い状態にいろんなフェルミオンがわーって入りたいわけですけど、1個同じフェルミオンが例えばエネルギー低い状態にいたら、もう1個別のフェルミオンっていうのはそれと同じ一番エネルギーが低い状態に2個目入れませんよっていうのがどうしてもエネルギー高い状態でしか存在できませんよっていうのがこのフェルミオンの性質になってます。
なるほど、これ電子だけは聞いたことありましたけど。
そうですね、たぶん原子のスピンの話で原子核の軌道が内側から詰まっていきますよっていうの多分高校の科学とかでもしかしたらK核、L核とかあると思うんですけど、あれがまさしくなんでK核に全部入ればいいじゃんって普通思うわけじゃないですか。
まあそうですね。
なんでK核に2個しか入れないのっていうのは実はこのパオリナハイタリッツっていうのが裏にいるからで、あれはフェルミオンである性質が高校科学にも書いてるような現象として出ているよっていうような例になってます。
なるほど、だからそのでっかいパオリナハイタリッツの中のほんとごく一部が科学としてちょっと書いてるみたいなイメージで。
あとは多分軌道でいうとフロンティア軌道論とかってこれノーベル賞取ってたかな。
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多分科学だとよく出てくるやつでもうまさに結合を作るときですよね。
結合を作るときに上向きのスピンと下向きのスピンが安定なところに入りましたで結合できますみたいなそういうフロンティア軌道論みたいなのありますけど、
いや夕日科学やってる人はそれが結構なじみ深いところかなって気はしますね。それが電子以外もいろいろあると。
あ、そうですね。電子以外のそういうフェルミオンって呼ばれてる粒子も似たような性質がありますよ。
一方でボソンっていうのがちょっとこれの常識を超えていまして、例えばですね電子がボソンだったらっていう例えをするとちょっといいのかなって思ったんですけど。
電子がボソンだったら。
電子がボソンだったら先ほど計画に電子何個も入れないじゃんっていう話をしたんですけど計画に電子何個も入れるようになっちゃいます。
常識破ってくるみたいな感じですか。
そうです。要するにそのエネルギーが低い状態に何個も粒子が同じ状態取れますよっていう性質を実は持っています。
なのでちょっと長くなったら整理しますとフェルミオンっていうのが同じ状態、要するにエネルギーが一番低い状態に何個も電子同じ電子とか同じフェルミオンが入れるわけじゃないよっていうのがフェルミオンの性質。
一方でボソンっていうのは何個も入れますよっていうのがボソンの性質です。
でここで超伝導の話にちょっと一旦、ごめんなさいさっきから行ったり来たりしてるんですけど。
さっきクーパーペアを組んだらいいですね。クーパーペアを組むとエネルギー的にお得ですねっていうふうな説明がこれでやっとできるんですけど実は。
クーパーペアを組む前の電子っていうのはフェルミオンなのでエネルギー低い状態に入れるわけじゃなくて、
エネルギー低い状態にもうすでにいたらそれよりもエネルギー高いとこ、それよりもエネルギー高いとこ、それよりもエネルギー高いところにしか電子は入れないよっていうような性質だったわけですけど。
クーパーペアを組むと実はこれですねボソンになっちゃうんですね。
変わるんですか性質は。
そうですね。
正しく言うとボソン的になってフェルミオンとフェルミオン合わせてボソン的に振る舞うので実はさっきまで同じところに入れませんよってたくさんの電子がいたわけですけど、
みんなクーパーペア作ってボソンみたいに振る舞えるようになったらみんなエネルギー低いところにボソンなので入れちゃうんですね。
面白いですねペアになると。
そうですそうです。だからエネルギーが低い状態っていうのが作れますよっていうのが先ほどの超伝導の話だったんですね。
じゃあここで舞台を中性質性にちょっと戻したいんですけど、
じゃあここでクーパートリプルクーパーペアの3つ番ですねフェルミオンとフェルミオンとフェルミオンでできてるんですけど、
じゃあこのクーパートリプルはフェルミオンですかボソンですかっていう問いを投げかけると実はこれフェルミオンなんですね。
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なんでだ。
フェルミオンが偶数個集まったらボソン的な振る舞いをします。
ただ今クーパートリプルっていうのは奇数個なのでフェルミオン的な性質をします。
それはそのペアと一つじゃなくてその3つつながってるみたいなのはなんかそう仮定できるもんなんですか。
なんかその1個余ってるわけじゃなくて。
そうですそうですそういったものがまあできてもいいですよっていうのはちゃんと理論で説明できますね。
この3つの粒子でできているクーパートリプルフェルミオンなんですね。
これがなんかたくさんいる状態だと先ほども言ったようにフェルミオンなのでこれってパオリーのハイタリッツが効いちゃって同じエネルギーの一番低いところにみんな入れませんよねっていうのがこれ常識としてあるわけなんです。
これこういうのなんかエネルギー低いところに入れますよっていうのを凝縮って言うんですけどこれちゃんとですね
物理の学部生が読むような教科書にもフェルミオンなので凝縮フェルミオンは凝縮しませんっていうふうに書いてるんですよ。
なんですけどここがえっと僕のえっとやった研究の紹介なんですけどクーパートリプルはフェルミオンなんですけど凝縮するかもしれませんっていうのが僕の仕事になります。
するかもしれないなんだ。どういう状態なんですかそれ。
先ほどフェルミオンっていうのが凝縮したエネルギー低い状態に1個いたらそれよりも高いとこ高いとこ高いとこっていうのに入っていきますよっていうのがフェルミオンの性質だったわけなんですけど
例えばなんかAっていうフェルミオンとBっていうフェルミオンが例えばいたとしてどう言いましょう例えばなんか電子って2種類いますよねっていうの冒頭で喋らせていただいたと思うんですけど冒頭かどうかわからないですけど。
上向き下向きみたいな。
そうですね上向きスピンっていうのを持ってる電子と下向きスピンっていうのを持ってる電子。
この2つっていうのはある種個性が違うフェルミオンだっていう風に思ってあげたらこいつらは同じこの上向きのやつと下向きのやつは同じエネルギー状態一番低いところに入れるんですね。
普通にペア組めるみたいな感じですね。
そうですね。
例えばペア組まない状態でも入れるわけで。
なのでなんかよく科学の教科書とかにもなんか電子が2つずつ軌道に入っていきますよっていうような説明をさせてもらうんですけど、
あれは上向きの電子1個と下向きの電子1個が入っていきますよっていうことをちゃんと指しています。
なのである種なんか個性が違うフェルミオンだったら同じところに入れますよっていうのがポイントになっています。
で、先ほどのクーパートリプルまるで同じものがいるように見えるんですけど、
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よく見てあげると実はこれって別に個性が違っているやつがいてもいいわけで、
特に中性子性みたいなたくさんクーパートリプルがいますよっていう風に思っている世界ですと、
この個性っていうのがすごくキャッチーな言い方をすると、個性が際立ってくるんですね。
個性が際立ってくる。
このクーパートリプルとこのクーパートリプルなんか同じようなものなんだけど、
実はちょっと違うクーパートリプルだという風に思ってあげたら、
これってエネルギー低い状態にいてもいいでしょっていうような話になってます。
そういうことか。
全く同じやつ全部じゃないのは、それはいっぱいいたらっていうことなんですか?
そうですね。いっぱいいたらっていうことになりますね。
特に電子とかってよく転粒子だっていう風に言われるんですけど、
本当に構造を持ってないっていう意味で、それ以上分けれませんよっていう意味で転粒子だという風によく言ったりするんですけど、
クーパートリプルっていうのは3つの粒子でできていますので、
ちょっと内部構造的なものを持っているんです。
例えば原子核って用紙とか中性子とかでいっぱいできてる。
あれって内部構造がありますよね。
普通の原子とかって内部構造があるわけですけど、それとある種同じように3つの粒子でできてるんだから、
クーパートリプルっていうのは内部構造を持っているっていう風に思ってあげると、
この内部構造がうまく効いてきまして、
内部構造がちょっと違うようなクーパートリプル同士はこれ別物だっていう風に見なしてもいいじゃないかと。
見なしてあげたら、こいつらエネルギー低い状態にクーパートリプルフェルミオンなんだけど、
たくさん入れますよねっていう論文をちょうど1年前にアクセプトされたんですけど、そういうのを書きました。
なるほど、内部構造が違うっていうのは、
例えばその3つトリプルのやつ番号というかABCみたいな名前つけるとしたら、
こいつはABCの中でもAとBがちょっと近いよねとか、
こっちはBとCが近いよねみたいな、そういう個性の違いみたいなイメージですかね、内部構造が違うっていうのは。
そうですね、そう捉えていただくのがたぶん一番スッキリすると思いますね。
それが違うっていうのは、それは理論的にそうなんですか?
理論的に実はそういうことが言えます。
ちゃんと計算してあげると、
普通のフェルミオンだったらこうなるっていうことが分かっている関係式が、
そうならないっていうことを証明することができたので、
じゃあフェルミオン凝縮するやんっていうのが分かりました。
なるほど、そういうことか。
なんとなく分かってきましたね。
でもそれってその内部構造のパターンというか、
それって限りあるんですかね、内部構造が違うのって。
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要はいっぱい同じぐらいの安定なところに入れるってなると、
そこに限界はないのかなみたいな。
ちょっと似てるやつ出てきたりとか。
そうですね、似てるやつは多分見たりしてもいいと思うんですけど、
基本的にその内部構造の取り方、
クーパートリプルの内部構造の取り方っていうのは、
無限パターンあってもいいよねと。
無限パターンなんだ。
はい、そうですね。無限パターンあってもいいって感じですね。
だから基本的にはいくらでも同じようなエネルギーのところに落ち着けますよっていう。
そうですね、例えばイメージとして円を描いたときに、
円の上に3点取ってくださいねの3点の取り方。
しかも点がそれぞれ赤色、青色、緑色の点を円状に3点取ってくださいねっていう取り方って、
これ無数に存在するじゃないですか。
確かに確かに、いくらでもできますね。
それぐらいの気持ちでたくさんあるっていう感じですね。
なるほど、じゃあ単純な位置関係っていうよりかは、
もういくらでもそういう理論的には描けちゃう、じゃあ描けちゃうから、
同じやつは存在しないって言っていいよねみたいな感じですかね。
そうですね、あってもいいんだけど、
まあなんかいろんなものが考えれることには変わらないよね。
すげえな、これ学部生で研究したんですか。
そうですね。
すげえ。
そうですけど、これ実はなんかテーマを与えてもらった、
初めて与えてもらったテーマなんですけど、
実は先生たちが予想していない結果を叩き出しちゃっていて。
めちゃくちゃいいことじゃないですか、それ。
そうです。
先生たちはどういう予想してたんですか、それ。
クーパートリプルっていうのができたら、
エネルギーが下がってはいいと思うんだけど、
凝縮はしないだろうって思ったんですね。
なるほどなるほど。
はい、っていうのはこれ実はクーパートリプルっていう名前を
初めて使ったとされている論文が2012年の論文。
ハマーっていう人たちが、ニーマンとハマーっていう人が書いてる論文があって、
そこにもちゃんとクーパートリプルはフェルミオンなんで凝縮しませんって
はっきり一言だけ書いてるんですけど。
それは特に証明したわけじゃなくて、
まあまあフェルミオンだからそんなの起きないでしょみたいな。
そうです。
誰も疑わなかったんですね、ある意味。
教科書に書いてることだし、
なんかそんな当たり前じゃんって思っていたんですけど、
当時僕学部2年生だったので、
なんかそういう常識とかやっぱり知らないままある種研究しちゃったので、
なんかこんなのあるんですけどって先生に出したら、
そしたらあれ?みたいな感じだったんですか?
は?は?みたいな。
ちょうど、そうですね、なんか先生、
当時なんか先生の家にちょっと泊めてもらいながら研究をさせていただいたっていう。
すごいすごい。
合宿みたいなのしてたんですか?
そうですそうです。
そしたら覚えてるのが、その結果出した夜、
先生が3度起きてきました。
え?興奮して?
42:00
そうです。
いや、なんか計算ミスじゃないのかなって言って1回出に行ったんですけど、
その後30分ぐらいに帰ってきて、
え?ってまた帰ってきて、
3度目に、やっぱそういうのあっていいかもしれないみたいな。
ずっと考えてたんでしょ、それ。
そうですね、っていうぐらいやっぱり衝撃的で、
やっぱりいまだにそういう学会とかで喋ったりすると、
やっぱりまだ本当に会議的な方ってももちろんまだたくさんいるんですけど、
結構最近だと我々の理論をサポートしてくれる人もちょっと増えてきたっていうような感じです。
すごいな。
それ、そっか。
意外と何も知らない学部生がやったらいい時も確かにあるのか。
なんかちょっと知れば知るほど常識にとらわれちゃうみたいなのあるんですかね、やっぱ。
そうですね。
ちょっと多分僕の、今回のケースは多分僕が思うには絶対あると思っていて、
本当になんかフェルミオンとかボソンとかは何となく知ってたけど、
なんかその結果が出てきた時には、これフェルミオンだからありえないじゃんって、
多分捨てなかったのは何も分かってなかったかと思うんですよね。
だからむしろそれがいい方向に働いて、
なんか実は新しいこと言えちゃったっていうふうになったのは何でしょう、
なんかそんな何も知らないまま研究に行っていいのかっていうのは多いので、
まあなんかそういうのがあったおかげだろうからっていうのはちょっとありますね。
めちゃめちゃドラマチックだな、これ。
すごいな、なんか先生の家に泊まらせてもらってたのもまずすごいですけど、
ずっと研究してたんですか、それ。
そうですね、研究とあとやっぱりアウトリーチのお手伝いをさせていただいていたので、
なんかそういったお手伝いも兼ねて、いろいろとお世話になっていましたね。
すごいな、でもそれもしかしたらそうかもで、
ちゃんと理論として成り立つ結果出せるのもやっぱすごいですよね。
そこは先生もサポートしてくれたのかもしれないですけど、いろいろと。
はい、そうですね。
だって多分その学会の潮流とか常識みたいのがある場合って、
多分主張するのめっちゃ大変じゃないですか。
そうですね。
どっか穴ないかなみたいな見方されるじゃないですか、絶対。
はいはいはい、そうですね。
やっぱありますよね、それ。
いや、あります。やっぱり論文出すときにレフェリーがついていろいろとコメントをくれるわけですけど、
やっぱりどのレフェリーも、いや嘘だろうみたいな。
そうそうそう、なんか論文通んないんじゃないかなって気がすごいしたんですけど。
そうですね、一発目は実は落とされて、雑誌買えたら一発で通ったんですけど。
そうなんだ。
やっぱりなんか人によって見たら、いやあり得ないだろうっていうより、いやそんなんじゃないじゃんっていうふうに言うんですけど。
そうですね、教科書にも確かにやっぱそう書いてるほど、やっぱ物理の、物理コミュニティの中ではもう広く普通に知られていた常識だったからこそ、
45:09
あり得ない、なんだこれっていうな意見がすごく多かったと思いますね。
やっぱそっか、なんか僕もなんとなく印象ですけど、そういうあまりにも新しすぎるやつって、
だいたい一流ジャーナル落とされて違うところ出したやつが後々めちゃくちゃ評価されるとか、
結構聞いたことあるんで、なんかそんなような感じがしますね。
そうですね。
ですよね、やっぱ一流雑誌のレビュアーってその分野のトップランナーの人とかが評価してたりするわけで、
そういう人が、いやこれちょっと常識と合わないよなって言ったら、まあ通んないよなっていう。
うん。
めちゃくちゃいい話でしたねこれ。
ちなみにこれ、じゃあ今はまた全然違うことに取り組んでるんですか?
そうですね。
ここまでお聞きいただきありがとうございます。
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