一番浴びている素粒子は？

質問

物理学には疎い私ですが、さまざまな啓蒙書（専門書ではない）を読んで、素粒子にもいろいろ種類があるのだと思いました。そこで質問ですが、われわれが普通に地球上で生活していて、もっとも浴びている素粒子って何でしょう？？

私は、主に太陽からやってくるニュートリノだと思います。あ、光子もかなり多いですね。光子かな？

なんて思ってますが、概算の数を数える方法もわからないです。

ですので、
１．地球上（もちろん地下でも）で生活していて、最もたくさん浴びていると思われる素粒子とその根拠
２．できれば、その具体的な量

をご回答ください。もちろん片方だけでもＯＫです。
よろしくお願いします。

回答No.2

noname#108554 · ベストアンサー

太陽からやってくる素粒子は、
光子、電子ニュートリノ、陽子、グラビトン（？）です。
ほぼ間違いなくニュートリノが多いです。
概算を出します。

1.ニュートリノ
太陽内部の陽子からヘリウムが生成される過程(pp-chain;ほかの過程もありますが、これが主な過程です。)において、
ニュートリノは、一陽子あたり0.5個生成されます。
太陽内部では、毎秒7億トンの水素がヘリウムに変わっていますので、
ニュートリノ生成率は、毎秒2×10^38個になります。
地球-太陽間の距離は1億5千万kmなので
地球の位置では、毎秒1cm^2あたり9×10^11個のニュートリノが通過していきます。
約1兆個です。
2.光子
太陽は黒体放射(第一近似では十分です。;温度にして6400K)しているので、
温度が分かれば光子が何個発生しているかが計算できます。
公式は、光子数(/cm^3)=20×温度(K)^3
従って、太陽表面における光子の数密度は、
1立方cmあたり5×10^12個
これに光速×太陽の表面積をかければ、太陽表面全体から何個の光子が放出されているかが算出されます。
結果は、9×10^45(/s)
これを4π(太陽-地球間の距離)^2で割ったものが、求める数値で、
結果は、3×10^18(個/cm^2・s)
あらあら、意外と光子が多くなってしまいました。

ここで注意してほしいのは、この10^18個の光子は、
太陽内部で作られたものそのものではないことです。
太陽内部で作られる光子はガンマ線の形をしていますが、
そこから、200万年かかって太陽表面まで浸み出して来ます。
ガンマ線として作られたばかりの光子はせいぜいニュートリノと同程度の数しかないですが、
陽子・電子と衝突してエネルギーを失い、結果として
可視光の形で放出されるのです。

注意その2として、地上にはこれほどの光子は届きません。
地球大気に吸収されてしまいます。
でも、1%（数字は適当）は届くとして、毎秒1cm^2あたり1京個ぐらいは届くのかな？

3.陽子
これは計算できません。（私には）
資料も発見できませんでしたが、いわゆる太陽風というやつで、
個数は光子、ニュートリノと比べて圧倒的に少ないです。

4.グラビトン
さて、これからは妄想に入ります（笑）
グラビトンは太陽内部では主に陽子の加速運動により、
生じているはずです。
陽子は、光子と相互作用しており、熱平衡状態にあります。
すると、グラビトンと光子も熱平衡状態にあるとしてよいでしょう。（？）
つまり、グラビトンも光子と同程度に発生しているはずで、
違いは、スピンの自由度のみとなります。
グラビトンのスピンは2（光子は1）なので、
地球付近には光子の2倍の個数のグラビトンが、到達しています。
つまり、6×10^18(個/cm^2・s)となります。
これに加えることの、太陽が銀河系を周回していることによって生じる重力波由来のグラビトンとか・・・
宇宙背景グラビトンとか・・・これは、おそらくたいした数にはならないと・・・

以上、私の結論は、
グラビトン、光子、ニュートリノ、陽子の順になります。
ほんとかー？？

お礼

おはようございます！
そして、ご回答ありがとうございます！！

なっなるほど～！グラビトンの存在を忘れてましたね～。
よくよく考えてみると、重力の場を仲立ちしているのがグラビトンなんだから、ものすごく多いはずですよね。光子を受信する人体のシステムとして目があり、グラビトンを受信する人体のシステムとして皮膚（圧点）があり（ここ、とっても自信なし）、どちらも同じくらい普通なことなのに、グラビトンを忘れてました。

と、なると、未発見のものも含めれば（あ、グラビトンも未発見でした）、ヒグス場を仲立ちするヒグス粒子もその数は多いのかな？と思います。なんせ、質量を与えている粒子ですから。

概算についても回答していただきありがとうございます。
うーん。指数表記が妥当な線まで行ってしまいましたね。
あの、別に疑ってるわけではありませんが、この数字をいろいろと検証してみたいと思います。うわー。私がやると時間がかかりそうですね。よし。仕事が一段楽したら図書館行こうっと。

どうもご回答ありがとうございました！！

回答No.7

u13

u13です。

>つまり、電磁気力の担い手はフォトンだとされていますが、
>正確にはバーチャル・フォトンと呼ばれ、
>このフォトンは観測できないのです。
>
>普通のフォトンは荷電粒子が加速運動したり、
>粒子の崩壊・生成に伴って放出されます。
>
>u13>グラビトンって、重力を媒介するわけだから太陽から放出される量は
>u13>太陽の質量だけで決まるのではないかと思いますが違ってます?
>
>多分、以上の理由から太陽質量から決まるグラビトンは、
>バーチャル・グラビトンで、観測はできないと思います。

御意。バーチャルXXXトンを対象にしたらこの質問が訳わからなくなってしまいますね。大体人間もバーチャルフォトンを浴びている、というか作りまくってるわけですからねぇ。

>もしや、u13さんは、あの有名な施設...
壊れて復旧中ですが、たぶん当たりです。でも、最近、（というか最初から)この業界は体が資本で頭を使ってないので教えて！gooでもアホさ加減を披露してしまっています。他の皆さんはもっと優秀なので誤解のなきよう(^^;)。

ちなみに、ニュートリノは最近は質量あり、で決まりつつあります。で、重力相互作用は当然しますが、質量があまりに小さいためそう簡単には止められないと思います。ニュートリノが質量を持っているとその重力相互作用で宇宙の膨張を止めるんじゃないか、と思われていましたがどうやら数桁ほど軽すぎる様子です。、、、脱線してきたのでこの辺でやめます。

お礼

u13さん、再び回答してくださりありがとうございます！！

はい。仮想粒子のことは対象外にして考えてみます。
矢張りあの、カミオ・・・おおっと。個人の情報を開示することは禁じられていましたね。ほとんど言っているようなものですが。申し訳ないです。

ニュートリノの件、了解しました。質問とずれてきてますので（脱線させたのは私ですが）、また勉強して、疑問があがったらこの質問とは別に質問します。

もうちょっと質問を締め切らないであけておきますが、別に締め切り方を忘れているわけではありませんので、ご了承ください。

何度も質問にお付き合いいただきありがとうございます！！

回答No.6

noname#108554

>実は、「重力って無限遠点にまで作用するから・・・うんぬん」を書こうと思ったのですが、
>重力子についてほとんど知らないのでやめました。

いやいや、私も素粒子論勉強しようと思って途中で挫折しましたので、実はここに書いているのは大嘘かもしれません。

とくにグラビトンについてはほんとに妄想なのであまりきにしないでください。

とは言うものの。先のお礼やu13さんへのコメントです。

>と、なると、未発見のものも含めれば（あ、グラビトンも未発見でした）、
>ヒグス場を仲立ちするヒグス粒子もその数は多いのかな？と思います。
>なんせ、質量を与えている粒子ですから。

いや、これが素粒子論のへんなところですが、私はへんだと思っていたのですが、
基本粒子だからといって、実際に宇宙に存在するかというと、これがまた別なのです。

いや、おそらくヒッグスは存在はするでしょうが、
電子や陽子のように太陽の中に大量に存在するということはありえません。
ヒッグス粒子は、質量1TeVといいますから、
陽子の実に1000倍。こんな粒子が大量にあったら、
太陽標準模型はふきとんでしまいます。

どういうことかというと、ヒッグス粒子とヒッグス場は区別して考える必要があります。
ヒッグス場を粒子解釈したものがヒッグス粒子なわけですが、
常に粒子解釈が可能ではないということです。

フォトンやグラビトンにしても同様で、
電磁場や重力場を量子化=粒子解釈したものがフォトン・グラビトンになるわけですが、
例えば、電荷間の引力たるクーロン場、これを
無理に粒子解釈すると質量が0でない場が出てきます。
これは、バーチャル・フォトンと呼ばれるもので、
観測は不可能です。

つまり、電磁気力の担い手はフォトンだとされていますが、
正確にはバーチャル・フォトンと呼ばれ、
このフォトンは観測できないのです。

普通のフォトンは荷電粒子が加速運動したり、
粒子の崩壊・生成に伴って放出されます。

u13>グラビトンって、重力を媒介するわけだから太陽から放出される量は
u13>太陽の質量だけで決まるのではないかと思いますが違ってます?

多分、以上の理由から太陽質量から決まるグラビトンは、
バーチャル・グラビトンで、観測はできないと思います。
いや、リアル・グラビトンでさえ、観測できないですけど。今のところ。
ここで私が書いているグラビトンは、
例えば太陽内部で陽子-陽子の衝突が起きているわけですが、
そのときの加速度変化(これは、フォトンの場合の電荷を加速した場合に放出されるフォトンに相当)により、
放出されるグラビトンを想定しています。
理屈からすれば、人間が走ったって、グラビトンが放出されてるはずですが、
どうやって算出したものか。

ニュートリノ通信・・・水槽を持ち歩くのかな？
は、ともかく、宇宙背景ニュートリノを観測するのは
実験屋さんの夢だそうです。
今の実験装置で観測するにはエネルギーが低すぎます。

お礼

・・・全然関係ないことですが、今お礼文を書き終わったところで、昨日友達から預かったネコ（オス）がキーボードに乱入。Ｆ５キーを踏んじゃって、全てが白紙に。。。しくしく。

>どういうことかというと、ヒッグス粒子とヒッグス場は区別して考える必要があります。
>ヒッグス場を粒子解釈したものがヒッグス粒子なわけですが、
>常に粒子解釈が可能ではないということです。

これは、私にとって新しい驚きでした。今まで常に粒子解釈が可能だと思っていました。もちろん、今まで読んだ書籍の中に、「常に粒子解釈は可能」なんてことは書かれていませんでしたが、例えば、「新しい場の予言には、新しい粒子の予言が要請される」なんていう、典型的な書き方を見ると、勝手に常に粒子解釈は双方で可能なんだと思っていました。
そういえば、バーチャルフォトンのことは聞いたことがありました。でもそのときは、まさに読んだだけ。「ああ、そうなんだ」と思っただけ。自分の頭の中にある知識と矛盾点はないかとか、この理論に適用したらどうなるんだろう？なんてことは考えていなかったわけですね。まったくお恥ずかしい限りです。
いつもＯＫＷｅｂに質問するたびに思うことですが、いかに自分に勉強が足りないかがわかります。これにめげずに、勉強していきたいです。
なんか、所信表明見たいになってしまいました。

>理屈からすれば、人間が走ったって、グラビトンが放出されてるはずですが

そうですね。どうしましょう。現在の技術で観測可能になるくらいまで加速すれば、体が燃え尽きるどころか、灰も蒸発し、まばゆく光ってあたりに放射線を撒き散らすでしょう。迷惑この上ないですね。

何度もご回答ありがとうございました！！
残念ながらヒグス粒子が大量に降り注いでいるという考えは、可能性がほとんどないことが判明しましたが、大変勉強になりました！！

回答No.5

u13

自己フォロー+αです。

＞地下に潜ればニュートリノの一人勝ちなんですが、、、
グラビトンも地下まで届くので負けるかもしれないですね。

で、+αですが、ibm_111さん、グラビトンって、重力を媒介するわけだから太陽から放出される量は太陽の質量だけで決まるのではないかと思いますが違ってます?そうすると地球上の人間は主に地球からのグラビトンつまり、重力加速度ｇの分だけのグラビトンを浴びていることになると思います。数の計算の仕方はわからないです。申し訳ないです。

お礼

再度のご回答どうもありがとうございます！！

先ほどは読み落としてしまってましたが、さらりと「地下に潜れば」と仰っている。
もしや、u13さんは、あの有名な施設にいらっしゃる専門家ですか？「ニュートリノ」、「地下に潜る」というキーワードから、素人の私が推測できる施設は、あの施設だけでした（自分が情けない）。

+αにつきましては、ibm_111さんに期待いたします。
実は、「重力って無限遠点にまで作用するから・・・うんぬん」を書こうと思ったのですが、重力子についてほとんど知らないのでやめました。

・・・いや、お詳しい方々の間で、漁夫の利で知識を得ようなどとは。。。考えてます。

再度のご回答ありがとうございました！

回答No.4

u13

ニュートリノに援護射撃します。

現在宇宙にはビッグバンの名残のニュートリノが１ccあたり数百個存在していると考えられています。残念ながらこのニュートリノはエネルギーが小さすぎて他の粒子と全くといっていいほど反応しないので今のところ観測できるめども立っていませんが。まぁ、反応しないからこそ今まで残っているともいえます。

で、ニュートリノは止まっていられないので常にほぼ光速で飛び交っているので、ざっと計算すると１平方センチメートルあたり毎秒１０の１３乗個（～１０兆個)ほど通過していることになります。ibm_111さんの計算の太陽ニュートリノより一桁上がりましたがまだ光子には負けてしまうんですね。残念。私たちが実験している地下に潜ればニュートリノの一人勝ちなんですが、、、

いずれにしても、ニュートリノは人間の体はもとより地球すらほとんど何事も無かったかのように素通りするので何の役にも立たないのが悲しいです。

お礼

u13さん、ご回答どうもありがとうございます！！

ニュートリノが専門家の方から援護射撃をいただきました！弱い相互作用にしか作用しないとは、矢張り「ニュートリノ通信」ってＳＦの域を出てないんですよね？ちょっとがっくり。まさかベータ崩壊を起こす装置をもって歩くわけには行かないし。もし、遠～～～い未来にニュートリノ携帯ができたら、やっぱりボディーの色はブルーにしましょう。

そういえば、学生のころには「ニュートリノには質量はないだろう」ということを見聞したことがあったかと記憶しています。ところが、確か最近の研究成果として、質量があることが「ほぼ」確実だということがあったと思いますが、質量があるのなら、重力と相互作用を起こすんじゃないでしょうか？？
ということは、非常に強い重力場を通過するときは、減速して止まる？？うーむ。

あ、個数の話からずれてしまいました。どうもすみません。

ご回答どうもありがとうございました！！

回答No.3

noname#108554

そいや、アクシオンなんてのもありましたね。
この粒子は、暗黒物質の候補で、まだ存在は確認されてません。
想定質量は、10^-5eVといいますから、
電子の2000億分の1ぐらいの質量です。
これが暗黒物質の候補ってことは、
宇宙を閉じさせる臨界密度の20%ぐらいはアクシオンの可能性があります。
これは期待できそうです。
概算してみます。

臨界密度は、だいたい、陽子の個数にして、10^-6個cm^-3ぐらいです。
するとアクシオンでは、1cm^3あたり10^8個ぐらいあるということになります。
さて、このアクシオン、数は多いのですが、実は冷たい暗黒物質なのです。
ですので、単位面積あたり単位時間あたりに地球にやってくる個数（フラックスといいます。）を求めるには、光速をかけるというわけにはいきません。
ここでは、その代わりに、背景放射に対する銀河系の速さ、およそ300km/sを代わりにかけることにします。
つまり、アクシオンは地球に300km/sの速さで突っ込んできます。
ので、アクシオンの個数フラックスは、
3×10^15個/cm^2・sとなります。

以上の考察から、
グラビトン・光子・アクシオン・ニュートリノ・陽子
という順番になります。

お礼

ibm_111さん、再度のご回答どうもありがとうございます！

おうっ！外出の時間がきてしまいました。こちらのご回答に対する返事は、帰ってきてから、改めてゆっくりさせていただきます。取り急ぎお礼まで。

どうもありがとうございました！！

補足

アクシオン！
これもありそうですね。「量子色力学において、強い相互作用でＣＰ対称性が破られないために導入された（違いましたっけ？）」と言う背景があるだけに、その信憑性も結構強いと思われますしね。

「3×10^15個/cm^2・s」！これまた多いですね。ニュートリノがずいぶん後ろのほうに来てしまいました。この疑問を感じたとき、アクシオンを考慮することなんてまったく考えてませんでした。私の頭では暗黒物質の候補としての姿しか持たなかったので。ibm_111さんすばらしいです。

そういや、前言を撤回するような感じで恐縮ですが、現在ではニュートラリーノが暗黒物質の最有力候補となってるんでしょうか？ＷＩＭＰの候補としての条件を備えていることから、暗黒物質の最有力候補というトピックをどこかで読んだ気がしました。それとも、両者（３つ以上でも）とも候補としてあがっているのでしたっけ？どこかのサイトだったかな？失念してしまいました。

啓蒙書のいいところは、数学が苦手でもイメージで捉えることが比較的容易なことだと思いますが（もちろん科学の由緒正しき言語である数学を理解していないと中途半端なイメージになりがちですが）、具体的な数値が載っていないことが多いのが玉に瑕です。私もかなり主観的なイメージになっていると思います。

お付き合いくださってありがとうございます！！

回答No.1

uhyohyohyo

えっと、やはり太陽ニュートリノじゃないでしょうか。一秒間に数千億が人の体を突き抜けていると言うのを聞いたことがある(ような気がします・・・)。素粒子はあまり専門ではないのでそのくらいしかわかりませんが・・・

「素粒子」という言葉も時代時代によって定義が変わっていったり曖昧だったりするんですよ。「その時代」で発見されている究極の粒子という定義の仕方、すなわちそれ以上の内部構造を持つことを見出されていないこと、が一般的のようです。

話を「放射線」全般に拡張すると明らかに光子でしょう。赤外線、可視光線、紫外線、X線、γ線すべてがひかりですから。

今度は話を「電離性放射線」に限定すると、普通に生活をしていて一番受けるのはγ線でしょうね。これはカリウム-40という放射性同位体から放出されています。カリウムのうちの0.0117%がこの同位体なので、体重60kgの人だと大体一秒間に3700個、もちろん大地や建物からもγ線を放出してます。地球上ありとあらゆる所にカリウムは存在するので逃れることはできないですね。そのカリウムからは前段階の過程として軌道電子捕獲と言われる現象が起きています。これに伴い、オージェ電子あるいは特性X線と呼ばれるものも発生してますので、体の内部ではこれを受けてることになりますね。また、その軌道電子捕獲との競合過程としてβ-崩壊(電子放出)が起こっており、それも食らってます。

炭素14の崩壊によるβ-線も実はかなり多いんじゃないでしょうか。炭素14は絶えず地球を循環しており、生きているものには常に一定割合で含まれています。人体の元素の組成として炭素が何％であり、全炭素のうち何％が14であるのかが分かれば計算できるのですが、それが分からないのでスミマセン・・・。

あと、宇宙線の大部分が高エネルギー陽子線ですから、地球の大気に入射した時の核反応で色々と粒子が発生しています。この数は前に掲げた二つに比べるとたいした数ではないと思いますけど。

書いていて、どれが一番多いか？というと結構色々考えて総合しなきゃならないなと思いました。とりあえず今すぐ書けることはこんなところです。

お礼

uhyohyohyoさん、どうもご回答ありがとうございます！！

１秒間に数千億！！す、すごい。なんでも貫通してしまってるニュートリノだからよかったものの、人体と相互作用を起こそうものなら、穴だらけ（とーっても小さいが数が大変多いので凄く小さい割合で衝突しても絶対量は多そうという考えから）になってしまいそうですね。あれ？そういや、ニュートリノ通信ってＳＦとかででてきませんでしたっけ？なんでも貫通するのに、どうやってキャッチするのかしら？
まずは、ニュートリノに１票です。

ん？？
えーと、上記のご回答では、ニュートリノと光子どっちが多いとお考えなのかがわかりにくかったのですが…。光子のほうが多いとお考えですか？素粒子の範囲ということで制限を設けてらっしゃるようですが、私には制限設定の方法がわかりかねますので、「とにかく多いもの」にしたいです。もちろん、とにかく多いものをあげてくださった後に、じゃあ、それぞれの中で、例えばハドロン別、レプトン別という風にしてみても面白いですよね。
最初のご回答、本当にありがとうございました！！

補足

まだまだ質問は締め切らない予定ですので、お暇なら、またご回答ください！